身体的

寻找Superlentil

由MetamatéRALIES构建,具有惊人的光学性质,“Superlentil”将图像生成比使用的波长更精细的细节。

John Pendry.和David Smith Scient for Science N°79
本文保留用于科学用户

1967年,俄罗斯莫斯科物理与技术研究所的俄罗斯物理学维克多维斯托,想象一种让光学世界扰乱世界的材料。这种材料与直觉相反的行为,将给出光波推进下降的印象。然后可以开发具有几乎魔法性质的革命性镜头。只有问题,这种材料应该具有负折射指数。请记住,折射描述当它进入材料时经历发光波的方向或出来的偏转程度。但所有已知的材料都有阳性折射率。尽管有多年的研究,V.Melelago从未找到他正在寻找的电磁物质的材料,他的猜想陷入了遗忘。

最近的工作已经休息了V.Melelago的思想。在大多数材料中,电磁特性直接由构成它们的原子和分子的特征导致。并且由于这些成分具有有限的特性,因此我们仅在有限范围的电磁特性表现出的情况下进行数百万材料。但是,在20世纪90年代中期,我们是来自社会的科学家合作的我们之一(J. Pendry) 栗色材料技术 在英格兰,揭示了“材料”不一定是单一物质的切片。它可以想象其他人,由微小的结构组成,这些结构集体提供了未发表的电磁特性的材料。

团队 栗色 开始制造这些新材料,指定超材料,发现几个分散的电磁波如没有其他材料。 2000年,我们(D. Smith)之一,来自加州大学的San Diego的同事发现了超材料的组合,呈现了负折射的难以捉摸的财产。

在负指数材料中,光线表现得如此奇怪的是理论家已经重写了电磁规则。这是一个激烈的辩论质疑这种材料的存在的场合。在此期间,实验者正在研究使用这些超材料的性质的技术的开发:例如,这是一个超光,例如,这对于更多的目的来说比所使用的光的波长更多,这可以使纳米微电路的可能的光刻来实现并在光盘上存储更大的数据。仍有很大要做,但现在V.Melelago的梦想已成为现实。

负折射

要了解负折射的概念,让我们看看材料如何影响电磁波。当电磁波(例如光线)通过材料延伸时,原子内的电子和材料的分子在内。该运动使用波浪的一部分能量,影响波的特性及其传播。通过调节材料的化学成分,可以调节其行为Vis-is-Vis的给定应用。

但超材料表明,化学不是开发电磁有趣材料的唯一方法。还可以通过产生微小的结构来检查电磁效应,仍然可以致癌。因为典型电磁辐射的波长(其振荡的特征距离)高于构成材料的原子或分子的几个大小的数量级。波浪不会“看到”个体分子,而是数百万分子的集体反应。

电磁波由电场和磁场组成。每个部件导致材料中电子的特性运动:用于电场的向前和向后,以及磁场的环。两个参数量化材料中这些响应的幅度:电介收B(电子对电场的灵敏度)和磁导率M(电子对磁场的灵敏度的大小)。大多数材料具有B和M的正值。

材料的另一个重要标记是其折射率 n,通过简单的关系链接到B和M: n =±MLLLBM。在所有已知的材料中,正值必须特权。但在1968年,V.Melelago表明,如果B和M既有负数,那么 n 也是因因果的原因。

负介电常数和渗透性涉及材料内的电子在相反方向上移动到由电场和磁场施加的力。这种行为似乎是矛盾的,但我们很容易安排它发生。

想象一下,你申请缓慢和常规推力的摇摆。一旦在运动中,甚至低幅度,摆动也采用特定的速度,其谐振频率。定期推动挥杆,节奏与此摆动,开始安装更高。现在,与摆动运动相比,试图推动更快,推力变为相比的阶段;在一个点,你可以在摇摆以全速返回给您时伸出手臂。挥杆甚至可以有足够的运动来推翻你:它排斥你。类似地,负折射率材料的电子断开并抵抗电磁场的“推力”。

超材料

同盟,也就是说,以特定频率振荡的倾向,是取得这种类型的负响应的成功的关键;它通过构建设计用于模拟材料的磁性或电响应的小电路人工引入超材料中。在分开环谐振器中,例如,磁场穿过金属并诱导环中的旋转电流,类似于材料中的磁性 (请参阅第76页的框)。另一方面,在直线金属线的网络中,电场诱导前后向后的电流。

递送到自己,这些电路的电子自然地从前面摆动到由电路的结构和尺寸确定的谐振频率。在此频率下方应用一个字段,您将具有正常的正答案。但刚刚高于共振频率,答案是消极的。因此,电线可以在频率范围内具有B的负值的电响应,而分开环可以在相同频率范围内具有M个负值的磁响应。这些儿子和分裂环是建立广泛各种各样的有趣的超材料所必需的基本元素,包括材料V.Melelago寻求。

在圣地亚哥加州大学集团于2000年制定了负指数材料的第一个实验证明。由于具有超材料的最严格的条件是元件明显小于波长,因此团队使用微波。实际上,它们具有几厘米的波长,使得超材料的元素可以测量几毫米。

该团队设计了一种由分割和组装成棱镜的分割线和谐振器组成的超级材料。电线给出了负介电常数,并且分流环谐振器确保了负渗透性:两次会议必须给出整个负折射率。为了比较,它还在Teflon中形成了一个特氟隆棱镜,其具有正指数的物质 n = 1.4。研究人员面对棱镜的微波梁,并检测到各种角度上出现的微波量。微波梁经历了与Teflon Prism的正折射,并且具有超级棱柱的负面 (见对面的页面) !! V.Veleago的猜测成为现实。

真的行?

这些实验唤醒了科学界的兴趣,在V.Veselago假设的假设时,在没有超材料的情况下,没有密切检查负折射的概念。首先,怀疑论者已经开始质疑:消极指数材料违反物理的基本规律吗?如果是这种情况,所有这些研究计划都可以无效。

其中一个最生动的辩论涉及复杂材料中的波的速度。光以最大速度在空隙中移动 c 每秒300,000公里。黄金光速 v 在折射率材料中 n 等于 c/n。什么时候会发生什么 n 是消极的吗?简单地解释公式表明光在反向下蔓延。

更完整的答案考虑了两速,阶段和群体波的事实。为了理解这两个速度,想象一个在介质中传播的光脉冲:波浪纹波增加到脉冲中心的最大值,然后减少和消失。相速度是单个波纹的速度。组速度是脉冲形状的传播速度。这些速度并不总是相同的。

在负指数材料中,组和相速度具有相反的方向。令人惊讶的是,脉冲的各个涟漪再次传播,然后整个脉冲的形状向前移动。连续光束的后果是非凡的,例如负指数材料中的完全浸没的手电筒。如果你能观察光波的个体涟漪,你会看到它们从光束的目标中出现!然而,光束的能量向前传播,远离光源。

在实践中,难以研究光波的各个波纹,并且脉冲的细节可以是非常复杂的。因此物理学家使用技巧来说明相位和组速度之间的差异。在相同方向上传播的两个不同波浪的添加产生干扰并产生特定的节奏图案,其以组速度传播。

通过应用这一概念,Prashant Valanju和德克萨斯大学的同事在奥斯汀,观察了一个好奇的现象。当两个不同的波长波被折射到负指数材料和另一个正指数的界面时,它们的角度略有不同。所得到的节奏图案代替遵循负折射的光束似乎遵循正折射。通过在组速度中吸收这种模式节律,物理学家得出结论,任何物理学可行的波都会受到正折射。虽然可能存在负指数材料,但负折射将是不可能的。

假设这些结果有效,如何解释在圣地亚哥获得的那些? P. Valanju和其他物理学家将明显的负折射归因于各种其他现象。也许样品吸收了如此多的能量,波浪只能从棱镜的狭窄一侧出来,从而产生负折射波的幻觉?毕竟,样品涉及显着的吸收,并且措施从棱镜的面部没有做出很远,因此这种吸收理论是可能的。

这些结论非常令人担忧,因为除了D. Smith的经验外,它们还可以使V.Melelago预测的现象无效。然后,我们意识到要依赖于标点模式推断为群体速度是错误:对于在不同方向上传播的两个波,所得到的干扰模式与组速度失去了其链接。

在负折射的新实验证据到来之前,临界论点逐渐崩溃。 Minas Tanielian群组,社会 波音在西雅图,圣地亚哥的体验非常低吸收超材料棱镜。该团队还将探测器进一步从棱镜上放置,因此可以拒绝超材料中的吸收以解释负折射。与其他人一起获得的数据的示例性质量终于对负折射的存在进行了持续的疑问。

超越Veselago

然后,我们理解,除了V.Melelago的故事之外,仍然可以从消极指数材料中的光线行为说出。其一个关键工具是“抛光光线”,一种追踪物化轨迹的线的过程,考虑到不同材料界面的反射和折射。

雷投掷是一种强大的技术,帮助我们理解,例如,为什么沉浸在游泳池中的物体看起来更接近它们实际上的表面。折射率(用于水, n = 1.3)大致等于明显深度的实际深度的比率。射线还表明,在负面指示池中沐浴的孩子似乎漂浮在表面上方!

V.Melelago使用光线推出来预测一片负折射材料,带有线索 n = -1,应扮演一个完全新的属性的镜头的作用。在摄像机中发现的正索引镜片,偏光板...具有焦距:形成图像的位置取决于对象和镜头之间的焦距和距离。图像通常具有与对象的尺寸不同,并且镜头给出通过镜头的轴上的物体的最佳结果。 V.Veleago镜头不同 (请参阅第78页的框) :它简单得多,只在与它相邻的物体上行动,并且它将整个光学场在镜头的一侧转移到另一侧。它也可以在几何上对负折射率镜头的操作感兴趣 (请参阅第74页的框).

直到这样的镜头可以实现哪种完美级别?它的最终决议是什么?由衍射极限约束的正指数光学器件不能解决对象反射的光的波长的进一步细节。衍射还确定了集成电路行业中的光刻工艺可以创建的最小特征。类似地,衍射限制了可以在光学上存储的信息量 DVD。规避衍射限制的一种方法将彻底改变光学技术,并且通过允许纳米光刻来提高几百倍的光盘的存储能力。

负面指数的光学器件是否可以克服这些限制?要了解出来,我们必须超越光线的抛出,因为这种方法忽略了衍射。我们需要使用更准确的电磁场描述。

所有电磁波源都产生两个不同类型的田地:远场和近场。首先是从物体远程辐射的部分,并且可以由透镜捕获以形成图像。但是,它仅包含对象的摘要图像,衍射将分辨率限制为波长的大小。另一方面,近场包含对象的最精细细节,但其强度随着距离而迅速降低。正索引镜头没有机会捕获近场并将其传输到图像。阴性指数镜头怎么样?

一流的

从电磁角度检查源的近距离和远距离与V.Veleago,J.Pendry的镜头相互作用,在2000年结束,原则上镜头可以将近场反映为遥远的领域. V.VeleaGo镜头不会受到所有已知光学器件的衍射极限。因此,我们获得了一位超级利用。

随后的分析表明,超绝值的分辨率受阴道材料质量的限制。最好的性能不仅需要拥有 n = -1,但在时间b = -1和m = -1。远离这一理想移动的镜头具有降级的分辨率。这些限制是强大的,但2004年,从多伦多大学的Anthony Grbic和George Eleftheriades表明,在射频频率下具有B = -1和-1的超级材料实际上可以具有非顺从的分辨率衍射极限。它们的结果是否可转移到可见域,其波长较小?

挑战是双重的。首先,超材料的金属导电元件应减小到纳米级以小于可见范围(400至700纳米)的波长。然后,短波长对应于高频。但是金属的导电性能在这些频率下不太擅长,这摊销了超级材料所建立的谐振。 2005年,来自德国卡尔斯鲁厄大学的爱荷华州国家大学和马丁韦格纳的斯托加斯·苏格尔斯制成了以1,500纳米的波长运行的分开环谐振器。在这些短波长的磁共振变得非常低,但可以形成有趣的超材料。

我们不知道如何制造可见的m = -1的材料。仍然可以妥协。当物体与图像之间的距离小得多小于波长时,无论M.填充条件B = -1都足够了。 2005年,Richard Blaikie的团队在坎塔利大学,加利福尼亚大学的加州大学,在伯克利举行了这个想法,并在系统光学中突出了超信。在可见的中,金属的清洁共振可能导致负介电常数。因此,薄的金属层变为具有B = -1的波长的超标度。这两组使用大约40纳米厚的薄银层,光与365纳米波长从形成较薄的图案的槽发出。一片银色不是理想的镜头,但它验证了Superlentil的原则:我们之一(J.Pendry)命名为贫困者。

超级界面的突出显示证实了有关负指数材料的许多预测之一,反映了这种新兴纪律的快速进步。负折射的前景带来了物理学家来审查所有电磁。如我们认为完全理解的,基本的光学现象,例如折射和衍射极限,在负指数材料的背景下扩大可能的领域。

自从第一超级物质的发展以来,该概念已经扩展到其他类型的波,包括波浪和声波。尽管如此,仍有待遇将超材料和负指数材料转化为有用和可用的物体的魔法。特别是,必须以实惠的成本精制和制造超材料的设计。现在在这一领域工作的许多团体都用完了。

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