Суперлинзы

Пт, 05/23/2014 - 22:07

Метаматериал с отрицательным показателем преломления для микроволнового излучения

Куб метаматериала представляет собой трехмерную матрицу, образованную медными проводниками и кольцами с разрезом. Для микроволн с частотами около 10 ГГц куб имеет отрицательный показатель преломления. Шаг решетки — 2,68 мм, или около 0,1 дюйма

В эксперименте, проведенном Boeing Phantom Works в Сиэтле, использовались призмы из метаматериала и из тефлона...

С помощью тонкой серебряной фольги и ультрафиолетового света исследователи смогли получить изображения с разрешением около 60 нанометров матрицы нанопроводников и слово «NANO»...

На верхнем рисунке (А) видно слово «NANO», а ниже...

Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

Благодаря современным достижениям в сфере материаловедения, гипотезу Веселаго возродили. Электромагнитные свойства вещества зависят от особенностей молекул и атомов, входящих в его состав, характеристики их представлены узким диапазоном величин. По этой причине свойства множества известных материалов не отличаются разнообразием. В 90-е годы ученые в Центре технологии материалов имени Маркони в Великобритании решили создать так называемые метаматериалы. По их мнению, такие материалы будут состоять из элементов макроскопических размеров, рассеивать электромагнитные волны не так, как давно известные нам вещества.

В начале ХХI в. Д. Смит со своими коллегами в Калифорнийском университете, расположенном в Сан-Диего, создал метаматериал, имеющий отрицательный показатель преломления. То, как ведут себя в нем лучи света, настолько странно, что ученые переписали целые главы в фундаментальных учебниках по электромагнитным свойствам материалов. Они также заняты созданием суперлинз, которые позволяют получить изображения, детали которых меньше, чем длина световой волны. Используя такие линзы, можно создать микросхемы, в составе которых есть наноскопические элементы, а также осуществлять запись на оптические диски очень больших объемов информации.

Каждый знает, что начальное образование дает тот необходимый запас знаний, который обеспечивает импульс для дальнейшего развития человека. Вот почему так важно хорошо учиться, готовиться ответственно к каждому уроку. В этом несомненно поможет ресурс megabotan.com, где можно найти гдз по алгебре для 7 класса учебников различных авторов.

ПРЕЛОМЛЕНИЕ С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНОЙ — РЕАЛЬНОСТЬ ЛИ?

На примере возникновения метаматериалов теперь стало ясно, что химия не является единственным путем для получения уникальных свойств веществ. Их электромагнитный отклик можно «сконструировать», создав миниатюрные структуры. Длина электромагнитной волны обычно на порядок выше, чем размеры молекул и атомов. Волна может «увидеть» не просто отдельный атом или молекулу, а общую реакцию многих миллионов частиц. Это же можно сказать и о метаматериалах, состоящих из элементов, по размерам намного меньших, чем длина волны.

Чтобы осознать, откуда берется отрицательное преломление, в начале рассмотрим, как электромагнитное излучение взаимодействует с веществом. Электромагнитная волна, которая проходит через определенное вещество (к примеру, луч света), служит толчком к движению электронов молекул или атомов. Чтобы это произошло, идет расход части энергии волны, это, в свою очередь, влияет на свойства волны и характер ее движения. Для того чтобы получить необходимые электромагнитные характеристики, ученые осуществляют подбор химсостава материалов.

Из названия поля электромагнитных волн ясно, что у него есть электрическая и магнитная составляющие. В веществе движутся электроны вперед-назад под воздействием электрического поля и осуществляют круговое вращение под воздействием магнитного поля. Степень такого взаимодействия можно определить 2 характеристиками: магнитной проницаемостью вещества μ и его диэлектрической проницаемостью ε. 1-ая составляющая отображает степень реакции материала на магнитное поле, 2-ая — то, как электроны реагируют на электрическое поле. У основных известных нам материалов μ и ε положительны.

Оптические свойства любого из веществ можно охарактеризовать определенным показателем преломления n, связанным с величинами магнитной и диэлектрической проницаемости формулой: n = ± √(ε∙μ). Для известных нам материалов в этом соотношении перед корнем квадратным должен находиться знак «плюс», их показатель преломления поэтому является положительным. Но в 1968 году господином Веселаго было доказано, что у вещества, имеющего отрицательные величины диэлектрической и магнитной проницаемости, величина n должна быть отрицательной. Отрицательные величины μ или ε получают, когда электроны в веществе движутся в направлении, которое противодействует силам, создаваемым магнитным и электрическим полями. Хоть это поведение, на первый взгляд, многим покажется парадоксом природы, но электроны могут двигаться против направления действия сил магнитного и электрического полей.

Если маятник толкнешь, он переместится в том направлении, куда осуществлен толчок, а затем будет производить колебания с т. н. резонансной частотой. При подталкивании маятника в такт с его движением, амплитуда колебаний будет увеличена. Если осуществлять толчки маятника с большей частотой, то они не будут совпадать с колебаниями, осуществляемыми по фазе, и в определенный момент вашу руку настигнет маятник, который двигается навстречу. Таким же образом электроны в веществе с показателем преломления ниже нуля входят в противофазу, сопротивляясь «толчкам», создаваемым электромагнитным полем.

МЕТАМАТЕРИАЛЫ

Ключом к подобной реакции является резонанс, т. е. стремление двигаться с определенной частотой. Резонанс в метаматериале можно создавать искусственным образом, используя миниатюрные резонансные контуры, которые имитируют отклик материала на электрическое или магнитное поле. К примеру, в разорванном кольцевом резонаторе (сокращенно — РКР) магнитным потоком, который проходит сквозь металлическое кольцо, наводятся круговые токи, такого же рода как токи, обуславливающие магнетизм некоторых веществ. В решетке из прямых стержней из металла с помощью электрического поля создаются токи, которые направлены вдоль стержней.

Свободные электроны в подобных контурах движутся с резонансной частотой, которая зависит от размеров и формы проводника. Если приложить поле, частота которого будет ниже, чем резонансная, то будем наблюдать нормальную положительную реакцию. При росте частоты отклик станет отрицательным, подобно случаю с маятником, который движется навстречу вам, если вы толкаете его с частотой, которая превышает резонансную. Т.о., проводники в определенном диапазоне частот могут отвечать на действие электрического поля как среда с отрицательной диэлектрической проницаемостью, кольца с разрезами могут сымитировать материал с отрицательной магнитной проницаемостью вещества.

Эти кольца с разрезами и проводники являются элементарными блоками, которые необходимы для создания большого количества видов метаматериалов, в т. ч. искомых ученым В. Веселаго.

1-ое подтверждение возможности создать материал с отрицательным показателем преломления осуществили опытным путем в 2000 году в Калифорнийском университете. Т. к. элементарные составные метаматериала должны быть намного меньше по размеру, чем длина волны, исследователи применяли элементы, имеющие размер несколько миллиметров в сантиметровом диапазоне.

Ученые из Калифорнии смогли сконструировать метаматериал, в составе которого проводники и РКР, чередующиеся между собой, расположены в виде призмы. Проводники при этом обеспечивали отрицательную диэлектрическую проницаемость, а РКР — отрицательную магнитную проницаемость. В итоге должен образоваться отрицательный показатель преломления. В целях сравнения изготовили тефлоновую призму той же формы, показатель преломления которой составил 1,4. Исследователями пучок СВЧ-излучения был направлен на одну из граней призмы, измерена интенсивность волн, которые выходят из нее под различным углом. Как и предполагали ученые, пучок подвергался положительному преломлению на тефлоновой призме и отрицательному — на призме, изготовленной из метаматериала. Предположение ученого В. Веселаго получило подтверждение: был создан материал, имеющий отрицательный показатель преломления. Но так ли это в реальности?

Другие материалы рубрики


  • Как родилась и эволюционирует наша Вселенная? Почему кольца Сатурна такие тонкие, но протяженные? Почему активность Солнца изменяется периодически с периодом около 11 лет? Что вызвало гибель динозавров? Отчего нас так пугают ослепительные вспышки молний, оглушительные удары грома, неистовые землетрясения, разбушевавшиеся вулканы? Отчего во время шторма возникает «девятый вал»? Почему цунами — столь грозная стихия? Почему рельеф снежных заносов волнистый? Почему у ягуара тело пятнистое, а хвост полосатый? И что объединяет эти совершенно не связанные между собой явления? Оказывается, все они — результат нелинейности.



  • Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • ...Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил частную теорию относительности и опроверг представление о свете как о колебаниях гипотетической среды — эфира. Великий физик утверждал, что, в отличие от звуковых, световые волны могут распространяться в вакууме и для их существования не требуется какой-либо материальной среды. Это справедливо и в общей теории относительности, и в квантовой механике. Вплоть до сегодняшнего дня все экспериментальные данные в масштабах от субъядерного до галактического успешно объясняются названными теориями.
    Тем не менее существует серьезная концептуальная проблема: с позиций современной науки общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Гравитация, которую общая теория относительности приписывает искривлению пространственно-временного континуума, никак не вписывается в рамки квантовой механики. Физики сделали лишь небольшой шаг к пониманию сильно искривленной структуры пространства-времени, которая, согласно квантовой механике, должна наблюдаться на чрезвычайно малых расстояниях.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, кажется очень простым... Действительно, стоит взять любую популярную книгу по авиации и даже некоторые издания, претендующие на роль учебника, как сразу натолкнетесь на уже ставшую хрестоматийной притчу о двух частицах воздуха, бегущих в струйках по крылу и встречающихся на задней кромке...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Очевидные успехи в развитии науки и техники в XIX и ХХ веках вызвало в мировом общественном сознании некую эйфорию, уверенность в том, что человек стал властелином Природы, что его знания об устройстве окружающего Мира почти абсолютны, что человек может все. И действительно, изобретение в конце 18 века паровой машины существенно изменило жизнь общества, в значительной мере освободив его от утомительного физического труда, заложило основы современной промышленности и транспорта. Постулирование Исааком Ньютоном на рубеже 17 и 18 веков его трех принципов движения материальных тел и закона всемирного тяготения, создание начал дифференциального исчисления вызвало к жизни целый ряд научных открытий. Трудами нескольких поколений ученых в 18-19 столетиях была построена научная дисциплина, очертившая основы машиностроительной и технологической культуры нашей цивилизации, называемая сегодня теоретической механикой. Далее последовали фундаментальные открытия в области астрономии, физики, химии, получившие выход в различные области технических приложений — металлургию, строительство, транспорт, химическое производство, энергетику, судостроение, электротехнику, проводную и беспроводную связь, военное дело. Быстро развивались биология и медицина.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • Научно-технический прогресс — один из главных рычагов создания материально-технической базы будущего нашей страны, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путем использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.
    Революционные изменения в технике, на основе обновленных знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам. Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.



  • ...Состояние в сверхпроводнике 1-го рода, когда сверхпроводящие домены соседствуют в материале с нормальными областями, называется промежуточным. Такое состояние может возникать при значениях индукции приложенного поля, лежащих в интервале (1–D)Bc < B < Bc, где размагничивающий фактор D определяется формой образца. Интервал изменения размагничивающего фактора — от нуля (для длинного цилиндра или тонкой пластины в параллельном поле) до единицы (для плоскопараллельной пластины в случае, когда поле приложено перпендикулярно ее поверхности)...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5
    • 6