Metamateriale

I fysik , i elektromagnetisme , betegner udtrykket metamateriale et kunstigt kompositmateriale, der udviser elektromagnetiske egenskaber, der ikke findes i et naturligt materiale.

Disse er generelt periodiske, dielektriske eller metalliske strukturer , der opfører sig som et homogent materiale, der ikke findes i naturen. Der er flere typer metamaterialer i elektromagnetisme, de mest kendte er dem, der sandsynligvis udviser både negativ permittivitet og permeabilitet . Men der er andre: medier med uendelig impedans, medium med relativ permittivitet mindre end 1 osv. I virkeligheden er metamaterialer meget gamle, da vi f.eks. Kan betragte de farvede briller, der bruges i farvede glasvinduer i katedraler, som optiske metamaterialer. På samme måde kan fotoniske krystaller betragtes som metamaterialer.

Det er i dag et meget aktivt forskningsfelt.

Historisk

De såkaldte medier med "venstre hånd" eller " negativt brydningsindeks " blev teoretiseret i 1967 af Victor Veselago . De kræver negativ permeabilitet og permittivitet samtidigt. I lang tid var denne dobbelte tilstand vanskelig at opnå, selvom medier med negativ permittivitet (for eksempel plasmaer) var kendt i lang tid. I 2006 foreslår John Pendry fra Imperial College en implementering ved hjælp af periodiske metalliske strukturer dannet til at skære koncentriske ringe, kaldet splitring-resonatorer (in) (SRR) , og kontinuerlig metal son. Han havde demonstreret i to på hinanden følgende papirer, at et periodisk arrangement af parallelle kontinuerlige metaltråde udviste negativ permittivitet ved lav frekvens, og at et periodisk array af SRR udviste negativ permeabilitet omkring en resonansfrekvens. Ved at forene de to netværk i en sammensat periodisk struktur blev mediet foreslået af V. Veselago produceret. Dette medium udviste derefter et negativt indeks i nærheden af SRR'ernes resonansfrekvens.

Denne egenskab ved negativt brydningsindeks var allerede bemærkelsesværdig, men det kunne have været en laboratorieundersøgelse. Hvad der virkelig henledte opmærksomheden på disse eksotiske materialer var forslaget fra J. Pendry om muligheden for at producere en superlens, hvis opløsning ikke længere ville være begrænset af de klassiske optiske love. Endelig i 2006 for at krone dette emne foreslog J. Pendry og U. Leonhardt realiseringen af en usynlighedskappe ved hjælp af metamaterialer.

Flere hold har siden vist, at disse teoretiske forudsigelser kunne materialiseres ved successivt at fremstille prototyper af superlinser og mikrobølgesynlige kapper. Tidligere havde DR Smith eksperimentelt vist, at J. Pendrys kompositmateriale faktisk udviste negativ permittivitet og permeabilitet og derfor et negativt brydningsindeks.

Forsøg på at producere disse metamaterialer i infrarødt og i det synlige område er også blevet foreslået. Disse er virkelige udførelser af styrke, for så vidt som gitterperioden er i størrelsesordenen en tiendedel af bølgelængden. For eksempel i det synlige, hvis bølgelængden er 500 nm, er perioden af størrelsesordenen 50 nm med bredder af metalmønstre i størrelsesordenen ti nanometer.

Vanskeligheden skyldes derfor, at det er nødvendigt at opnå meget små strukturer for at skabe netværk med en kort periode. I øjeblikket produceres metamaterialer ved mikroætsning eller nanoætsning. De består af kobberfibre trykt i glasfibre og udgør således den isolerende del, det vil sige den dielektriske del af metamaterialet. Det er derfor primært i formateringen, at ingeniører er begrænsede. Nogle forskergrupper håber at finde en løsning ved at ændre fremstillingsmetoden, det vil sige ved at producere disse metamaterialer ved rettet selvsamling, hvor sidstnævnte derefter fremstilles på en næsten naturlig måde. På den anden side skyldes problemet med fremstilling af et sådant materiale vanskeligheden ved at opnå råmaterialer med høj renhed.

Venstrehånds metamaterialeegenskaber

Deres brydningsindeks er negativt;
Deres permittivitet og permeabilitet er negativ; $\ epsilon$ $\ mu$
Under udbredelsen af en plan bølge i et metamateriale er trihedronet dannet af vektorerne ( k , E , H ) inverteret;
De hastigheder fase og gruppe er modsatte (mens de er i samme retning i en klassisk medium);
I modsætning til klassiske medier forstærker de flygtige bølger ;
Den Doppler-effekten reverseres;
Den Cherenkov effekten reverseres;
Der er overfladebølger, kaldet " plasmoner " for begge polarisationer , som kan være formerings- eller retropropagerende;
Der er back-propagating guidede tilstande og back-propagating lækage tilstande.

Potentielle applikationer

Højopløselige linser eller "superlinser" tæt på streng stigmatisme og med en teoretisk uendelig opløsning ;
NIM (negativt indeksmateriale);
Lette eller elektromagnetiske fælder;
Usynlighedsindretning (i virkeligheden er denne applikation hverken permeabilitet eller permittivitet negativ, men kun variabel);
Udvikling af Bragg-spejle lavet af sådanne materialer, muligvis endnu mere effektive;
Kompakte og direktive antenner ved hjælp af en negativ indeksradom;
Præstationer med flydende diger, hvis mål ikke længere ville være at bryde bølgerne som ved brug af et traditionelt diget, men snarere at få dem til at omgå det, der er beskyttet af diget;
simulering af Minkowski-metrics eller multiverse ;
Seismiske metamaterialer, der interagerer med seismiske bølger.
Resonansantenner og lækagebølgen antenner.

Seismiske metamaterialer

Konceptet med strukturerede gulve er ikke nyt. Hvis vi forstår ved denne definition, er skabelsen af jord sammensat af menneskets handling med periodiske eller ikke-periodiske arrangementer af elementer introduceret i undergrunden, bestående af hulrum eller fyldt med et materiale (beton, sand, grus, metal osv.) så kan de specielle fundamenter for en bygning, et net af stive indeslutninger, et netværk af parallelepipedale celler med betonjordvægge for at modvirke jordens flydning eller ethvert sæt strukturer begravet i byskala muligvis opfylde denne definition. Interessen for strukturerede jordarter er dog muligvis ikke begrænset til søgningen efter den eneste ændring af karakteristikken ved en mekanisk parameter. For eksempel kan det være stigningen i forskydningsmodulet, der opnås takket være en sammensat jord, der består af sig selv, snarere "blød" og tilføjelsen af mere "stive" elementer. I dette tilfælde er det ved en given homogeniseringslov muligt at opnå et generelt mindre deformerbart materiale til en given belastning. Målet med det, der kaldes et metamateriale, ligger snarere i en handling på udbredelsen af selve signalet: at bøje stien til en seismisk stråle, filtrere bestemte frekvenser af signalet osv. Jord har imidlertid allerede mange særegenheder, der flytter dem væk fra materialer med veldefinerede elastiske egenskaber. I 2012 blev det første felteksperiment med henblik på specifikt at identificere mulige analogier mellem elektromagnetiske bølger og seismiske mekaniske bølger udført i Frankrig nær Grenoble.

Se også

Bibliografi

VG Veselago, “ Elektrodynamikken af stoffer med samtidig negative værdier på ε og μ ”, Soviet Physics Uspekhi, bind. 10, nr. 4, januar-Februar 1968
JB Pendry, " Negativ brydning er en perfekt linse ", Phys. Rev. Lett., Bind. 85, s. 3966-3969, 2000
D. Schurig, JJ Mock, BJ Justice, SA Cummer, JB Pendry, AF Starr, DR Smith, " Metamaterial elektromagnetisk kappe ved mikrobølgefrekvenser ", Science, bind. 314, nr. 5801, s. 977 - 980,November 2006
Jérôme Fenoglio , " Usynlighedens hemmelighed er skjult i de små strukturer af metamaterialer ", Le Monde.fr ,17. maj 2007( ISSN 1950-6244 , læs online )
Frédéric Zolla , Gilles Renversez , André Nicolet og Boris Kuhlmey , Fundamenter af fotoniske krystalfibre ( DOI 10.1142 / p367 , læs online )

eksterne links

(en) Metamaterials.net Forum dedikeret til forskning i metamaterialer
(en) Temmelig komplet database
(da) " Metamaterialer organiseret til radio-, millimeterbølge- og fotonisk supergitterteknik " ( Arkiv • Wikiwix • Archive.is • Google • Hvad skal jeg gøre? )

Referencer

(i) Forskere skaber metamaterial der ligner 3D Minkowski rumtider , phys.org
(in) Metriske signaturovergange optiske i metamaterialer
S. Brûlé , E. H. Javelaud , S. Enoch og S. Guenneau , " Eksperimenter med seismiske metamaterialer: Molding Surface Waves ", Physical Review Letters , bind. 112,31. marts 2014, s. 133901 ( DOI 10.1103 / PhysRevLett.112.133901 , læst online , adgang til 11. september 2015 )
" Stive indeslutninger til bygninger i seismiske zoner og Eurokoder 8 " ,9. juli 2010(adgang til 11. september 2015 )