身体的

折射光线'envers

从一个环境到另一个环境的光线偏转:它是光学折射。由于很少,人工结构化材料扰乱了通常的折射法。例如,具有关键应用,例如超级。

Didier Lippens. 对于Science N°345
本文保留用于科学用户
让我们观察浸在一杯柠檬水中的稻草半。由于光线的折射,秸秆出现在空气液体界面处弯曲。该现象是熟悉的:通过在表面上的正常的另一侧继续其路线,偏离在另一个透明介质中穿透另一透明介质的倾斜入射的光半径。但近年来,物理学家一直在制造人工结构的小规模材料,“超材料”,其折射电磁波以相反的方式:折射角,测量与表面上的正常情况相比,是负面的通常的法律表明,即表示光线通过留在正常作为入射半径的同一侧(参见图1和2)来进入第二介质。沉浸在具有这样的财产的液体中的秸秆将出现成角度的观察者,但是淹没部分似乎会出来液体!

折射法,称为Snell-Descartes和自从 XVII.e 世纪,根据屈光指数,根据发射角度和数量来决定折射角度,折射率。它起着基本作用,因为出现了几何光学法则。它是违反上述超材料的吗?实际上没有。除了这些超材料具有负折射指数之外,Snell-Descartes的定律仍然有效 - 并且对所有已知的天然材料没有阳性。

负屈光指数材料的概念从1968年历史,由俄罗斯物理学家维克多·维萨加省介绍。但直到2000年,它是一个科学新闻之一,具有第一个实验成果。负指数系统是一个非常活跃的搜索区域,其中提出的问题是无数的基本上(电磁波如何在这种媒体中传播?)在实现和应用方面是什么(如何设计和制造这种超材料,它们都可以服务?)。

为什么可以获得负折射指数,为什么我们之前没有观察过这样的效果?这些是第一个值得解释的分数。然后,我们将看到到目前为止进行的负数指数的元素和他们承诺的内容是什么。

材料介质的折射率表征该培养基将该培养基的反应转变为通过它的电磁波。如果电磁波长相对于结构环境的细节非常大,则该指数很好地定义。换句话说,环境必须在波长尺度上被认为是均匀的。验证该条件,折射率的值取决于考虑的电磁波的材料和频率(或波长)。对于诸如玻璃的正常透明材料,折射率等于真空中的光速与介质中的波的速度之间的比率等于比的比率;因此,它的正数大于1(光线被材料减慢)。例如,水的折射率等于约1.33。

负折射指数

但是,其他值是可能的。为什么 ?电磁理论表明,实际上,折射率由两个更基本的数量决定:电介质和磁导率。介电常数是表征培养基的反应性的参数,而渗透率表征其对磁场的反应。类似于电磁波(其中光波)是振荡电场和磁场的组合,两个参数 - 介电常数和渗透性 - 介入以描述介质交叉的反应。

但结果表明,如果介电常数和渗透性均为阴性,则折射率为负。但我们可以同时获得这两个条件吗?大多数材料具有阳性Impittivities:当提交到电场时,介质在与该字段相同的方向上偏振。要了解这意味着什么,考虑一种简化的模型,它使原子和分子同化到可弹性连接到正负载荷(原子核)的电子。

当施加电场时,它在场的相反方向上平均移动电子(负电荷),这对应于正极化。现在假设所施加的字段振荡,类似于电磁波的振荡。介质在这种情况下取​​决于字段的频率。如果该频率非常低于材料中电子中的电子振动的适当频率,则电子有时间遵循场的变化,并且极化与该字段相位。如果电场的频率接近于电子的振动的适当频率,则一个是谐振情况:能量累积和由场致偏振变得非常强,到对外部征集不敏感的点。

一个可以与坐在摇摆中的孩子的情况进行定期推动一个平行。当摆动的幅度很大,你决定在谈到你的时候推动孩子,也就是说对电流来说,你的推力不足以改变摆动运动的运动方向:运动和你的推力然后相位反对派。

与材料电子的共振效果

以相同的方式,当激励器电场的频率接近谐振频率时,感应极化高并且不再遵循该字段:介电常数至少在一定的频率范围内变为负。类似的考虑适用于磁导率。

因此,可以实现介电常数或渗透性的负值,并且它们本质上存在。虽然负介电常数较差的较差而不是阳性介电常数材料,但金属是光学频率(光)的示例。类似地,存在负渗透性材料。但是,在天然材料中,电气共振现象处于非常高的频率(至少是Terahertz的顺序,或10 12 赫兹),而磁共振的频率低得多。这就是为什么没有允许材料和相同频率领域的负渗透性。

然而,在20世纪90年代中期,研究人员开始考虑人造材料,其架构将设计以获得所需的行为,由于计算技术的进展和制造技术的进展,可以实现所需的电磁波。该想法是形成由大量相同元件组成的结构,周期性地布置两三个尺寸,并且具有对外部场的强烈响应(通过谐振现象)。这种网络的元素也必须小并且足够接近,以便在所使用的波长的比例下考虑网络,如均匀的。电磁超材料被称为前缀元,这意味着结构化与投入的材料相比引入了新的性质。

更精确的是具有负折射指数的超材料?首先考虑负介质超材料的情况。通过对小型电导线段的周期性网络置于绝缘材料中,可以获得这种系统。在电磁波通过的情况下,每个导电线段的行为类似于电偶极子 - 电子去沿着导体 - 并且组件具有依赖于网络的几何形状的清洁谐振频率。通过正确选择它,然后获得低于光学频率(金属具有负介电常数)的频率的负介电电源,高达少于几兆赫兹。

为了实现负渗透性的超材料,思想类似,除了它是使用由磁偶极物作用的结构元素。来自1999年的第一个建议日期。John Pendry,伦敦,伦敦和同事提出了基于小金属环的各种结构。受到可变磁场,通过感应电流横穿这种环,其自身产生磁场:根据电磁通常的规则,磁场产生磁场:垂直于环平面的磁性偶极子。事实上,J.Pendry和他的同事提出的微电路未关闭:每个环路被空隙切断,看起来像一个C.非导电空间使不完整的环形电容使得可以振荡电路,频率清洁,能够使用可变外部字段谐振。这些电路元件现在被命名为拆分环谐振器(以英语为单位谐振器)。

整洁的电线和金属戒指

利用用于电响应的电响应和分流环谐振器的导电线段,用于磁响应,有两个基本砖用于进行各种电磁行为的结构。由于负折射指数需要负介电常数和渗透性,因此产生负色测量的创建将包括在同一构建中的两个基本砖,导电段和分体式环中组合。

在这一原则上,大卫史密斯和谢尔顿舒尔茨队在加州大学在圣地亚哥,于2000年是第一个与不寻常的电磁特性的元素。其中一个似乎是“双负数”,也就是说具有介电常数和渗透性。二维性质的结构由一排金属螺柱与分裂环谐振器交替交替(见图 3)。 D. Smith团队然后让这种超材料具有5个Gigahertz的电磁波的负折射率,也就是说在微波领域。实验是测量由棱镜形状材料的样品传递的功率,旋转样品周围的检测器,并验证电力最大,用于对应于角度负折射的相对取向入射探测器束。发现折射率的值约为-2.7。

J. Pendry团队的开创性工作和D. Smith的开创性工作引起了极大的兴趣,而且有时候是难以置信的。然后从事这一新区域的几个物理学家团队,并获得了积极的结果。例如,2003年,两个新的体验 - 由安德鲁赫克和他的同事们完成了一个 麻省理工学院马萨诸塞州科技学院,另一个由Minas Tanielian团队和波西的Phantom作品中的Plaudio Parazzoli - 确认了超材料的负折射。

更一般地说,对这些超材料的研究问题不仅要确认负折射指标的存在,并更好地了解涉及这些效果的物理,而且更好地了解应用的物理,以获得具有较高频率下负指数的超材料,到达光学领域。什么是障碍?在几个千兆赫兹,波长为几厘米;因此,对于以电磁波均匀地被认为的超材料,结构的尺寸不得超过几毫米。频率越高,波长减小越多,结构必须越小。难度增加了这么多。

到目前为止,大多数负额定的超材料对应于微波炉领域,具有由电路类型的高铜,铝或金线和电流货币环绕的周期性结构,以及电路类型的帮助。到达红外线将是有趣的,特别是因为光电信使用红外光在1.5微米波长下,这对应于200太赫兹的频率(2×1014 赫兹)。在这种情况下,超材料必须穿过十几纳米结构,这需要源自纳米电子学的制造技术(通过通过电子束,通过激光等通过电子束加工而成)(参见图4)。

已经获得了负指数元素的频率范围逐渐延伸。弗拉基米尔Shalaev团队在美国的普渡大学,几个月前设计和制造了一个小型超材料样本,负折射率约为1.5微米的长度。波。由电子束光刻制造的结构由平行的金杆网络组成,金杆的平行对长度小于长度的长度,周期性地布置在玻璃上。对于1.5波长千分尺,该超材料的折射率等于-0.3,如数值模拟所示。

微波后,可见域?

大约在同一时间,来自曼彻斯特大学的Alexander Grigorenko的盎格鲁 - 俄罗斯团队已经开发出具有介电常数和负渗透性的MetaMateria,可用于可见域频率。所讨论的结构是约0.1毫米正方形的网络,并且包括一百万金焊盘的顺序,在玻璃基板上布置有两个,(参见图5)。每个曲线具有截头锥形的形状,宽约0.1微米,几乎高,垫对之间的间距为0.4微米的尺寸,尺寸和布置,以这样的方式对电子的谐振效应当浅波沿着网络表面传播时,发生密度。 A. Grigorenko和他的同事测量了负介电常数和渗透性,但由于能量损失太大,无法观察负折射指数。

实际上,随着对应于光学畴的高频,在结构的金属元件中,入射电磁波的能量的耗散变得越来越讨厌。因此,达到负元素的兴趣:光子晶体(见图6)。这些超材料,其中第一个出现在20世纪90年代初,是从腔中挖出的绝缘或半导体材料,该空腔挖出,该空腔构成了所考虑的波长的中间和规模。通过以这种规模达到结构细节,电磁波是衍射的,并且如果建筑的几何形状精确地,则所有衍射波会干扰,使得一些波长可以在结构和结构的结构中扩散。其他换句话说,材料阻断了一些波长,让其他人通过,播放过滤器或选择性镜像。

我们最近实现了这种类型的结构可以表现得像它们具有负折射率指数。虽然我们不能归因于光子晶体,但克里特岛大学和爱荷华州大学的介电常数和渗透率,同事于2003年做了实验演示了具有光子晶体的负折射,包括小茎的绝缘材料小茎。 。利用这种结构,负责负折射的物理机制不涉及电气和磁性自然的共振,而是仅通过超材料的周期性结构进行电磁波衍射。具有不诱导能量损失的优点的机制。

负折射的现实不再怀疑,负折射超材料的成就很多。但除了纯粹科学的兴趣之外,可以负折射会引起应用吗?答案是肯定的。负面的巡回元素狂热的原因之一是至少在理论上的可能性,使平坦和完美的扁豆。

随着V.Melelago已经注意到了20世纪60年代后期,由负折射率材料制成的简单透明刀片将从点源聚焦光线并构成会聚平面镜头。考虑等于-1的折射率材料的叶片,相对于刀片的平面,光线对称折射(见图 7);因此,来自刀片附近的一次性源的光线会聚到位于刀片内部的第一壁炉中。除了这首先焦点之外,它们再次分叉在出口处屈服,并在位于叶片之外的壁炉中形成图像。使用常规透明材料,只有弯曲的表面可以聚焦入射光。

该扁平镜头不能焦光线,并且图像的尺寸与对象的大小相同,也就是说没有放大率。但其他几何形状将实现其他光学功能;例如,由由两个正指数冠部覆盖的负指数材料组成的球形冠,如果允许的渗透率和渗透性很好地选择放大镜。

走向平坦的超级超级级

与传统的会聚,玻璃透镜相比,扁平透镜将累积许多优点,例如不存在像差(经典镜片仅给出光轴的良好图像),并且没有寄生反射(如果介电常数和渗透率也是如此等于-1)。此外,J. Pendry成立于2000年,负指数镜片将构成一个“完美镜头”,或者是一个超级索引:它确实如此,解决这种镜头的电源可以远低于下方。使用的波长,与传统光学装置的情况。

更具体地,J.Pendry表明,负指数透镜将从我们想要形成图像的对象中放大所谓的传达波。让我们解释一下。从物体发出的光场由两部分组成。首先,最重要的是由光波本身形成,其特征在于各种频率和幅度,并且传播对象点传播到图像点。它们是类似的,在声场中,不同的纯声音 - 缩略到坟墓 - 这弥补了更精细的音乐声音。这些波传送有关物体细节的信息,直到构成所谓的衍射极限的标度的半波长的比例。

比半波长更好的分辨率

尺寸细节的细节良好低于波长,其中包含在光场的第二部分中。这由波的波形成,其不会传播,并且其幅度随着物体的距离而呈指数逐渐减小。换句话说,一旦我们远离光源,这些波也变得不可察觉;利用通常的光学装置,在图像平面上它们的幅度几乎为零。因此,它们不参与图像,并且不再复制非常精细的细节。另一方面,在负折射率材料中,放大了传达波,这使得可以至少部分地恢复图像并再现对象的非常精细的细节。

J. Pendry先进的完美镜头的想法首先提出了疑惑,特别是在超过衍射极限的可能性,这需要许多澄清来说服物理学家。它最终收到了数字模拟的加强,最近,经验。因此,乔治Eleftheriades和他的同事在多伦多大学,大约2002年通过一系列由导电线路网络构成的微波的焦点,其具有串行容量和平行电感。后来,2004年,G.Eleftheriades和他的同事安东尼GRBIC表明,对于围绕千兆赫兹的频率,形成的图像具有大于衍射极限的分辨率。

紫外线附近的紫外线,在伯克利加利福尼亚大学的Xiang Zhang团队中获得了365纳米波长,展示了波浪放大的兴趣。渐逝。这些物理学家使用镜头一层银(负介电常数)35纳米厚,以形成由微光刻制成的图案的图像 纳米,在一层光敏树脂上。用原子力显微镜测量的物体图案的物体的厚度为40纳米;在过银膜之后获得的图像中,该厚度小于90纳米,比波长低至少四倍。

近年来,负折射不再是理论上的猜测,而是通过越来越多的经验证明了现实。即使现在更好地理解基本思想,也要研究一些理论方面。在实验水平上,挑战包括改善超材料的概念,以减少这些结构的能量吸收并移动到更少的手工制造方法。同样,我们寻求扩展有关的频率范围,到目前为止在微波领域获得了大多数结果。应用研究已经推出并涉及电磁,光电子或纳米技术。负屈光折叠元素可能至少是用于控制和引导电磁波的新工具。天线,波导,抗反射表面,过滤器和其他光学装置等。 :使用超材料的使用承诺在各种技术领域的进展,无论是在性能还是小型化方面。

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