Metamateriali: Negativni lom in zakrivanje

1. Metamateriali: Negativni lom in zakrivanje Tine Porenta Mentor: prof. dr. Slobodan Žumer Marec 2009

2. Motivacija • Posebne fizikalne lastnosti: • ε < 1, lahko celo ε < 0. • μ < 1, lahko celo μ < 0. • Velik potencial v optiki -> številne možnosti uporabe metamaterialov: • superleče, • zakrivanje,... Lomni količnik n < 1 lahko je negativen !!!

3. Seminar • Uvod • Struktura metamaterialov • Negativni lom • Teorija zakrivanja • Zakrivanje 1 & 2 • Zaključek

4. Uvod • Umetno zložen medij • Makroskopski skupek elementov • Lastnosti so posledica strukture • Ločljivost strukture manjša od valovne dolžine • Neobičajni odzivi na elektromagnetno valovanje • Neobičajne elektromagnetne lastnosti: ε < 1 ter μ < 1

5. Uvod • Elektromagnetne značilnosti običajne snovi so posledica odziva atomov na elektromagnetno valovanje • ε in μ povprečni odziv atomov v snovi • V metamaterialu sta ε in μ povprečni odziv elementov

6. Nastanek neobičajnih lastnosti

7. Nastanek neobičajnih lastnosti

8. Nastanek neobičajnih lastnosti

9. Struktura • Narejena umetno • Periodična struktura elementov • Nanocevke, nanožice, U-elementov • Gradnja s pomočjo litografij: • Fononska, elektronska, mikro-stereo • Obdelava s pomočjo elektronskega vrstičnega mikroskopa • Shema SEM slika 3D prizma

10. Negativni lom • Raziskave že okoli na začetku 20. st. • n=n’ + i n’’ • n’ < 0 => • Lom valovanja v ‘napačno’ smer • Fazna hitrost se širi v nasprotno smer od smeri širjenja energije

11. Negativni lom • Snovni konstanti: ε = ε‘ + i ε’’ ter μ = μ’ + i μ’’ • Elektromagnetni val

12. Negativni lom • Zahtevi za material z negativnim lomnim količnikom: n’ < 0 n’μ’ + n’’μ’’ > 0 • Zahteva za negativni lomni količnik: ε’|μ| + μ‘|ε| < 0. Neenačbi je vedno zadoščeno, če sta ε’in μ’negativna. Ni pa to edini pogoj, negativni lom dobimo tudi pri pozitivnih μ’.

13. Negativni lom

14. Teorija zakrivanja • Cilj je zakriti poljuben predmet pred detekcijo z elektromagnetnim valovanjem • Potrebujemo ε’< 1 ter μ’ < 1 • Potrebno je ustvariti plašč, ki uloni pot elektromagnetnih valov okoli objekta • Plašč ima zahtevane krajevne odvisnosti ε’(r) in μ’(r)

15. Teorija zakrivanja • ε(r) in μ (r) sta v splošnem tenzorja in krajevno odvisna • Transformacija koordinat • Izračun ε(r) in μ (r)

16. Teorija zakrivanja • transformacija koordinat: Dobimo:

17. Teorija zakrivanja • Zahtevi po krajevni odvisnosti ε(r) in μ (r) je težko zadostiti, zato poenostavimo zahteve: • Enaka pot valovanja • Edini razlika je neničelni odboj

18. Zakrivanje 1 • Plašč iz nanožič • postavljene radialno, ne nujno periodično

19. Zakrivanje 1

20. Zakrivanje 2 • Zakrivalni plašč za območje mikrovalov: • 10 plasti elementov • λ = 0.035 mm • zakrivanje bakrenega valja

21. Zakrivanje 2 Simulacija idealnega plašča. (B) Simulacija plašč s poenostavljenimi zahtevami. (C) Eksperiment brez plašča. (D) Eksperiment s plaščem.

22. Zaključek • Metamateriali imajo lahko ε < 1 ter μ < 1 • Metamateriali imajo lahko lomni količnik n’ < 0 • Metamateriali omogočajo nove možnosti aplikacij v optiki: superleče, zakrivanje,... • Pospešena gradnja novih metamaterialov

23. Literatura [1] R. M. Walser, in: W. S. Weiglhofer and A. Lakhtakia (Eds.), Introduction toComplex Mediums for Electromagnetics and Optics, SPIE Press, Bellingham, WA, USA (2003). [2] J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Science312, 1780 (2006). [3] C. Wenshan, U. K. Chettiar, A. V. Kildishev, and V. M.Shalaev, Nature Photonics 1, 224 (2007). [4] J. Valentine, S. Zhang. T. Zengraf, E. Ulin-Avila, D. A. Genov, G. Bartal, and X. Zhang, Nature455, 376 (2008). [5] V .M. Shalaev, NaturePhotonics1, 41 (2007). [6]D. Schuring, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr,and D. R. Smith Science314, 977 (2006). [7] J. B. Pendry Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000). [8] S. Durant, Z. Liu, N. Fang, and X. Zhang Proc. SPIE6323, 63231H (2006). [9] S. Enoch, G. Tayeb, P., N., and P. Vincent Phys. Rev. Lett. 89, 213902 (2002). [10] A. Schuster An Introduction to the Theory of optics, Arnold, London (1904) [11] J. Yao, Z. Liu, Y. Liu, Y. Wang, C.Sun, G. Bartal, A. Stacy, and X. Zhang Science321, 930 (2008) [12] W. Srituravanich, N. Fang, C. Sun, Q. Luo, and X. Zhang, Nano Lett.4, 1085-1088 (2004). [13] C. Sun, N. Fang, D.M. Wu, and X. Zhang, Sensors and Actuators A: Physical121, 113 (2005) [14] D. Schuring, J. B. Pendry, and D. R. Smith Opt. Express 21, 9794 (2006) [15] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart IEEE Trans. OnMicrovaweTheor. And Tech. , 47, 2075 (1999) [16] J. B. PendryContemporary Physics 45, 191 (2004)