Метаматериалы. 
Своиства метаматериалов

Что такое метаматериалы?

Метаматериалы (от греч. «мета» — «за пределами», «сверх») — это искусственные материалы, обладающие электромагнитными свойствами не встречающимися в природе. Метаматериалы состоят не из атомов и молекул, как обычные вещества, а из микроструктур: крошечных, меньше микрона, искусственных металлических резонаторов. Если размеры резонаторов намного меньше длины волны используемого излучения, электромагнитная волна распространяется в такой среде как в веществе с определенными диэлектрической? и магнитной µ проницаемостями. [2].

Основные свойства

В своей основополагающей работе В. Г. Веселаго показал, что рефракция (отклонение электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред) изменяется в материалах с отрицательным коэффициентом преломления. В условиях, когда оба материала имеют одинаковый знак коэффициента преломления, волна, пересекая границу раздела, появляется на противоположной стороне линии, проходящей перпендикулярно к этой границе (нормаль к поверхности). Однако, если один материал имеет положительный коэффициент преломления, а другой — отрицательный, волна будет появляться на той же стороне нормали, с которой она подходила к границе раздела.

Также особым свойством метаматериалов является характерная дисперсия волн, распространяющихся в такой среде. Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид.

(1.1).

где k — волновое число, щ — угловая частота волны, c — скорость света в вакууме, nІ =ем — квадрат показателя преломления, е — диэлектрическая проницаемость и м — магнитная проницаемость среды. Дисперсия — это зависимость частоты колебаний волны от величины волнового числа, т. е. от длины волны л волнового процесса (k = 2р/л). Из (1.1) получаем.

Решающим фактором, определяющим дисперсию электромагнитной волны, является коэффициент преломления. Так называемые «левосторонние» среды имеют отрицательный коэффициент преломления. Уравнение (1.1) получено на основе теории Максвелла. Для сред, у которых диэлектрическая е и магнитная м проницаемости одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля — электрический E, магнитный H и волновой k — образуют так называемую правую систему векторов.

[kE] = (щ/c)мH,

[kH] =? (щ/c)еE. (1.3).

Такие среды соответственно называют «правыми». Среды, у которых е и м одновременно отрицательные, электрический E, магнитный H и волновой вектор k образуют левую систему векторов. Такие среды называют «левосторнними». В англоязычной литературе описанные материалы называют rightи left-handed materials, или сокращенно RHM (правые) и LHM (левые) материалы соответственно.

Для характеристики распространения волны и ее дисперсии необходимо дать определение фазовой и групповой скоростей волны. В случае плоской гармонической волны фазовая скорость вдоль волнового вектора есть скорость движения поверхности равных фаз и ее можно выразить следующим образом.

(1.4).

Подставляя сюда выражение для щ из (1.2), получаем на первый взгляд очевидное соотношение.

(1.5).

из которого следует, что в метаматериале фазовая скорость волны может быть отрицательна. Отрицательность фазовой скорости означает, что при распространении волны набег фаз происходит в направлении от приемника к источнику, в то время как перенос энергии очевидным образом происходит от источника к приемнику.

Групповая скорость — это параметр, характеризующий скорость распространения «группы волн», т. е. распространения более или менее хорошо локализованной квазимонохроматической волны (волны с достаточно узким спектром). Групповая скорость обычно интерпретируется как скорость перемещения максимума амплитудной огибающей квазимонохроматического волнового пакета. В одномерном случае групповая скорость вычисляется из закона дисперсии.

(1.6).

Если дисперсионные свойства среды таковы, что волновой пакет распространяется в ней без существенных изменений формы своей огибающей, групповая скорость обычно может быть интерпретирована как скорость переноса «энергии» волны или скорость, с которой могут быть переданы с помощью волнового пакета сигналы, несущие информацию в соответствии с принципом причинности. Как следует из теории относительности, групповая скорость всегда положительна и по величине меньше или равна скорости света в вакууме. В одномерных средах без дисперсии групповая скорость по величине совпадает с фазовой скоростью. [3].