ต้นสน
การประยุกต์ใช้วัสดุเมตา วัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ วัสดุเมตาสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงแบ่งตามความสามารถในการซึมผ่านสัมพัทธ์

การประยุกต์ใช้วัสดุเมตา วัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ วัสดุเมตาสามารถสร้างขึ้นได้ด้วยคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงแบ่งตามความสามารถในการซึมผ่านสัมพัทธ์

Metamaterials เป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติตามธรรมชาติถูกกำหนดไม่มากนักโดยคุณสมบัติทางกายภาพตามธรรมชาติ แต่โดยโครงสร้างจุลภาคเป็นระยะที่สร้างขึ้นโดยมนุษย์ ลูกบาศก์ metamaterial เป็นเมทริกซ์สามมิติที่เกิดขึ้นจากตัวนำทองแดงและวงแหวนแยก ไมโครเวฟที่มีความถี่ประมาณ 10 GHz มีพฤติกรรมผิดปกติในลูกบาศก์ดังกล่าวเพราะสำหรับพวกมันลูกบาศก์นั้นมีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ ตะแกรงระยะพิทช์ 2.68 มม. เลนส์ซูเปอร์พร้อมช่วงคลื่นวิทยุความละเอียดสูงสุด 2/24

คุณสมบัติและโครงสร้างของวัสดุเมตา โครงสร้างหลักของวัสดุเมตาคือตัวสะท้อนแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมักจะอยู่ในรูปของแถบโลหะ เกลียว และวงแหวนที่แตกหัก (รูปที่ 1) ด้วยการเปลี่ยนรูปร่าง ขนาด และตำแหน่งสัมพัทธ์ของเครื่องสะท้อน ทำให้สามารถกำหนดรูปร่างคุณสมบัติของวัสดุเมตาในลักษณะทิศทางได้ คุณสมบัติของวัสดุเมตาแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากคุณสมบัติของส่วนประกอบที่รวมอยู่ในองค์ประกอบและถูกกำหนดโดยการสั่งพิเศษและโครงสร้างของส่วนประกอบ (รูปที่ 2) 1 รูป 2 3/24

ประวัติความเป็นมาของการสร้างสรรค์ ในปี พ.ศ. 2441 จากาดิส จันทรา โบส ได้ทำการทดลองด้วยไมโครเวฟครั้งแรกเพื่อศึกษาคุณสมบัติโพลาไรเซชันของโครงสร้างโค้งที่เขาสร้างขึ้น ในปีพ.ศ. 2457 ลินด์แมนทำงานเกี่ยวกับสื่อประดิษฐ์ ซึ่งประกอบด้วยสายไฟเล็กๆ จำนวนมากที่เรียงแบบสุ่ม บิดเป็นเกลียวและฝังอยู่ในตัวกลางที่ยึดไว้ การกล่าวถึง metamaterials ครั้งแรกที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบเริ่มต้นด้วยการกล่าวถึงผลงานของนักฟิสิกส์ชาวโซเวียต Viktor Veselago ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร "Advances in Physical Sciences" ในปี 1968 4/24 Jagadis Chandra Bose Viktor Veselago

ดัชนีการหักเหของแสงเชิงลบ สำหรับสื่อทุกชนิดที่สามารถพบได้ในธรรมชาติ รังสีตกกระทบและแสงที่หักเหจะอยู่ที่ด้านตรงข้ามของเส้นปกติซึ่งกลับคืนสู่จุดเชื่อมต่อระหว่างสื่อที่จุดหักเห วัสดุธรรมชาติที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเป็นลบเป็นที่รู้จักกันดี - โลหะใดๆ ที่ความถี่สูงกว่าความถี่พลาสมา ในกรณีนี้ ε

ดัชนีการหักเหของแสงเชิงลบ เพื่อให้บรรลุμ

สเปกตรัมที่มองเห็นได้ ขั้นแรก นักวิทยาศาสตร์หยิบแผ่นกระจกมาเคลือบด้วยชั้นเงินบางๆ จากนั้นจึงเคลือบแมกนีเซียมฟลูออไรด์อีกชั้นหนึ่ง จากนั้นจึงเคลือบเงินอีกชั้นหนึ่ง ดังนั้นจึงได้ "แซนด์วิช" ฟลูออไรด์ที่มีความหนาเพียง 100 นาโนเมตร จากนั้น นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เทคโนโลยีการแกะสลักแบบมาตรฐานเพื่อสร้างรูสี่เหลี่ยมเล็กๆ จำนวนมาก (กว้างเพียง 100 นาโนเมตร ซึ่งเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงสีแดงมาก) ใน “แซนวิช” นี้ ผลที่ได้คือโครงสร้างขัดแตะชวนให้นึกถึงอวนจับปลา จากนั้นพวกเขาก็ส่งลำแสงสีแดงผ่านวัสดุที่ได้และวัดดัชนีการหักเหของแสงซึ่งเท่ากับ -0.6 7/24 โมเลกุลดีเอ็นเอ

การใช้งานที่เป็นไปได้ของวัสดุ metamaterials ครอบคลุมทุกพื้นที่ที่ใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่ระบบอวกาศไปจนถึงการแพทย์ วัสดุ metamaterial แม่เหล็กไฟฟ้าที่กำลังพัฒนามีอยู่มากมายมหาศาล: การใช้ metamaterials ทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่ไม่สามารถสร้างขึ้นได้โดยใช้วัสดุจากธรรมชาติเท่านั้น ดัชนีการหักเหของแสงเชิงลบ ภาพความละเอียดสูง เสื้อคลุมที่มองไม่เห็น เทคโนโลยีสารสนเทศนาโนออปติคอลและควอนตัม ความถี่วิทยุ ไมโครเวฟ เทราเฮิร์ตซ์ วัสดุเชิงแสงทำงานในสาขาที่เกี่ยวข้องของนาโนเทคโนโลยี - นาโนโฟโตนิกส์ - จะทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ที่ประมวลผลข้อมูลได้เร็วกว่าคอมพิวเตอร์ที่มีอยู่มาก . เนื่องจากวัสดุเมตามีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการอำพรางวัตถุ เนื่องจากไม่สามารถตรวจจับได้ด้วยวิธีการพรางตัวด้วยคลื่นวิทยุ การลาดตระเวนทางวิทยุ 8/24

การใช้วัสดุ metamaterials ไม่เพียงแต่จะปรับปรุงพารามิเตอร์ของอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าที่รู้จักได้อย่างมีนัยสำคัญเท่านั้น แต่ยังสามารถสร้างอุปกรณ์ใหม่ที่เป็นพื้นฐานได้อีกด้วย ตั้งแต่เลนส์ซุปเปอร์ที่มีความละเอียดน้อยกว่าความยาวคลื่นรังสีไปจนถึงหน้าจอที่มองไม่เห็นมาก การใช้งานจริงส่วนใหญ่ ตั้งแต่หน้าจอที่มองไม่เห็นไปจนถึงซูเปอร์เลนส์และโพลาไรเซอร์ จำเป็นต้องมีการสร้างวัสดุ metamaterial ที่มีองค์ประกอบสามมิติที่แม่นยำ 9/24

ความสำเร็จ: 1. ซูเปอร์เลนส์ (วัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบสามารถเอาชนะขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของความละเอียดของเลนส์ทั่วไปได้ เลนส์ที่สาธิตการทดลองตัวแรกซึ่งมีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบมีความละเอียดดีกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนถึงสามเท่า) 2. การมองเห็นผ่านผนัง . (วัสดุประดิษฐ์ประเภทใหม่ที่แสดงการตอบสนองทางแม่เหล็กอย่างแรงต่อรังสีเทราเฮิร์ตซ์) 3. ผนังหน้าผา (สร้างภาพลวงตาว่าไม่มีวัตถุจริง จากนั้น “ประตู” จะสร้างความรู้สึกว่าวัตถุ (ในกรณีนี้คือ กำแพง) มีอยู่จริง โดยที่วัตถุนั้นไม่มีอยู่จริง (นั่นคือ มีช่องเปิด) 4 . ป้องกันกระจก (เมื่อสะท้อนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ามันจะกลับการสั่นสะเทือนของส่วนประกอบแม่เหล็ก แต่ไม่ส่งผลกระทบต่อไฟฟ้าดังนั้นเมื่อเปรียบเทียบกับกระจกธรรมดาสิ่งนี้อาจเรียกว่าป้องกันกระจกได้) 5. เสื้อคลุมล่องหน 10/24

คริสตัลโฟโตนิก คริสตัลโฟโตนิกเป็นโครงสร้างคาบที่ช่วยให้คุณเปลี่ยนทิศทางของการแผ่รังสีและปล่อย (ส่งหรือดูดซับ) รังสีด้วยความถี่ที่แน่นอน แนวคิดของคริสตัลโฟตอนถูกเสนอในปี 1987 โดย Eli Yablonovich เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงเป็นระยะจึงเป็นไปได้ที่จะได้รับโซนที่อนุญาตและต้องห้ามสำหรับพลังงานโฟตอน 11/24

ชิปโฟโตนิก อุปกรณ์ที่ใช้การพัวพันควอนตัมของโฟตอนที่ทำการปรับเปลี่ยนทุกประเภทด้วยสถานะควอนตัมของโฟตอนที่พันกันและผลลัพธ์ที่ได้จะถูกวัดด้วยความแม่นยำสูง เป้าหมายคือการสร้างอุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลความเร็วสูงขนาดกะทัดรัดที่สามารถรับมือกับอินพุตสตรีมด้วยความเร็วมากกว่า 100 กิกะบิตต่อวินาทีได้สำเร็จ 12/24 การพัวพันควอนตัมของโฟตอน

14/24

ลักษณะวัสดุไฮเปอร์โบลิก: แอนไอโซโทรปีระดับสูง ทำจากโลหะทรานซิชันและชั้นไดอิเล็กทริก มีคุณสมบัติเป็นโลหะและไดอิเล็กทริก การกระจายตัวของแสงในวัสดุดังกล่าวกลายเป็นไฮเปอร์โบลิก สามารถเพิ่มความหนาแน่นของโฟตอนของสถานะได้เป็นสัดส่วนกับอัตราการสลายกัมมันตภาพรังสี จำนวนมากทำให้เกิดการสูญเสีย วัสดุเมตาที่มีการกระจายตัวแบบไฮเปอร์โบลิก ตัวอย่างของ 3D HMM ที่มีแอนไอโซโทรปีในระดับสูง ทำจากลวดนาโนพลาสโมนิก (A) และชั้นทรานซิชันของโลหะและอิเล็กทริก (B) k(x) และ k(0) เป็นองค์ประกอบในแนวสัมผัสของเวกเตอร์คลื่นที่ทำให้เป็นมาตรฐาน Ex, Ey, Ez เป็นองค์ประกอบในแนวทแยงของเทนเซอร์การอนุญาตของพื้นที่ว่าง และเป็นความยาวคลื่นในอวกาศว่าง (C) การปล่อยจำลองใน HMM และสเปกตรัมกำลังใน HMM (บนสุด) เปรียบเทียบกับไดอิเล็กทริกทั่วไป (ล่าง) 15

Metasurfaces Metasurfaces เป็นฟิล์มบางมากของวัสดุ metamaterial ที่ประกอบด้วยชั้นของออกไซด์หรือโครงสร้างสองมิติของเสาอากาศที่มีความยาวคลื่นขนาดเล็ก Metasurfaces ถูกสร้างขึ้นโดยใช้การพิมพ์หินลำแสงอิเล็กตรอนหรือการตัดลำแสงไอออนแบบเน้น ซึ่งเข้ากันได้กับเทคโนโลยีและกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ที่มีอยู่ เมื่อเร็วๆ นี้ พวกมันถูกสร้างขึ้นจากสังกะสีและอินเดียมออกไซด์ อลูมิเนียมอัลลอยด์ และแกลเลียม โลหะและโลหะออกไซด์เหล่านี้มีการสูญเสียทางแสงต่ำกว่าและมีความยืดหยุ่นมากขึ้นสำหรับการปรับเข้ากับระบบออพติคอลที่มีอยู่ เมตาเซอร์เฟส 16/24

คุณสมบัติของพื้นผิวเมตามีลักษณะเฉพาะคือการสูญเสียต่ำ, สเปกตรัมการทำงานที่กว้าง, การควบคุมลักษณะของแสง (ความถี่, เฟส, แรงกระตุ้น, โมเมนตัมเชิงมุมและโพลาไรซ์), การปรับแสงที่มีประสิทธิภาพ, การสร้างพัลส์แสงของรูปร่างที่กำหนด, การควบคุมการแพร่กระจาย ของลำแสงในอวกาศ การวินิจฉัยโครงสร้างด้วยภาพของพื้นผิวเมตาที่มีความแม่นยำระดับนาโน 17/24 ได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน

18/24 ทางด้านขวาของภาพ (ส่วน B) มีการแสดงแผนผังของสิ่งที่เรียกว่า "ไฮเปอร์โบลิกเมตาเซอร์เฟส" ซึ่งเป็นโครงตาข่ายโลหะขนาดเล็กที่ใช้เพื่อเพิ่มอัตราการปล่อยโฟตอนโดยตัวปล่อยควอนตัม ขอบเขตการใช้งานของมันคือระบบข้อมูลควอนตัมรวมถึงคอมพิวเตอร์ควอนตัมซึ่งอาจมีประสิทธิภาพมากกว่าคอมพิวเตอร์สมัยใหม่มาก รูปด้านซ้าย (ส่วน A) แสดงอาร์เรย์ของเสาอากาศนาโนซึ่งเป็นตัวอย่างของ metasurface ของพลาสโมนิก สามารถนำไปใช้งานได้หลายประเภท รวมถึงการใช้เป็นไฮเปอร์เลนส์เพื่อเพิ่มความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง ในบางกรณีสูงสุดถึง 10 เท่า

ลักษณะเมตาดาต้าแบบไฮเปอร์โบลิก: การสูญเสียเล็กน้อยที่สามารถเติมเต็มได้ ควบคุมความหนาแน่นของสถานะโฟโตนิกได้อย่างกว้างขวาง (A) ภาพประกอบของการเพิ่มขึ้นของอัตราการปล่อยก๊าซของแหล่งควอนตัมบนพื้นผิวเมตาดาต้าที่ประกอบด้วยโครงตาข่ายโลหะบนอิเล็กทริก สารตั้งต้น (B และ C) ภาพประกอบของไฮเปอร์เลนส์พื้นผิวที่ไม่มีการขยาย ( B) และมีอัตราขยาย (C) ตัวกระจายแสงสองตัวตั้งอยู่ที่ด้านบนของตะแกรงและมีการแยกความยาวคลื่นย่อยที่ 19/24

การใช้พื้นผิวเมตาสามารถรวมเข้ากับวงจรที่ซับซ้อนมากขึ้น: อุปกรณ์มัลติฟังก์ชั่นขนาดเล็กไมโครโปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ที่ใช้ในชีววิทยาและการแพทย์ (ในการ "มองผ่าน" บุคคลหรือวัตถุในอนาคตคุณจะไม่ต้องใช้รังสีเอกซ์ที่ไม่เป็นอันตราย Metamaterials จะ ช่วยให้คุณทำงานกับความยาวคลื่นใดก็ได้ - และเพื่อวัตถุประสงค์ใดก็ได้) พื้นผิวเมตายังสามารถใช้เป็นเซ็นเซอร์เคมีอินฟราเรดช่วงกว้าง โครงสร้างเมตาสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างโฮโลแกรมคอมพิวเตอร์ การประยุกต์ในเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัม ภาพถ่ายของโลหะที่พัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ภายใต้กล้องจุลทรรศน์ ตัวอย่างหนึ่งของโฮโลแกรมคอมพิวเตอร์ 20/24

ข้อสรุป การใช้งานที่เป็นไปได้ของวัสดุ metamaterials ครอบคลุมทุกพื้นที่ที่ใช้รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าตั้งแต่ระบบอวกาศไปจนถึงการแพทย์ ดัชนีการหักเหของแสงเชิงลบ เทคโนโลยีการพรางตัวการถ่ายภาพความละเอียดสูง เทคโนโลยีสารสนเทศนาโนออปติคัลและควอนตัม เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์ที่ใช้ชิปโฟโตนิก ในแต่ละสาขา นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างความสำเร็จอย่างมาก แต่จนถึงขณะนี้เทคโนโลยีที่ใช้วัสดุ metamaterials ยังไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายในสังคม ปัญหาหลักในทุกด้านคือการย่อขนาดเทคโนโลยี 21/24

การอ้างอิงโฟโตนิกส์ระนาบและเมตาพื้นผิว (Kildyshev A.V., Shalaev V.M.) - Metamaterials หรือภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก "ล่องหน" Metamaterials ดัชนีการหักเหของแสงสำหรับการประยุกต์ใช้สเปกตรัมที่มองเห็นได้ของ Metamaterials 22/24

เลนส์ซูเปอร์เลนส์นี้สร้างขึ้นจากวัสดุเมตาที่มีคุณสมบัติทางแสงที่น่าทึ่ง โดยสามารถสร้างภาพที่มีรายละเอียดน้อยกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ได้

เกือบ 40 ปีที่แล้ว Viktor Veselago นักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียตได้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ (UFN, 1967, เล่ม 92, หน้า 517) คลื่นแสงในนั้นจะต้องเคลื่อนที่ทวนทิศทางการแพร่กระจายของลำแสงและโดยทั่วไปจะมีพฤติกรรมที่น่าทึ่ง ในขณะที่เลนส์ที่ทำจากวัสดุเหล่านี้จะต้องมีคุณสมบัติมหัศจรรย์และมีลักษณะที่ไม่มีใครเทียบได้ อย่างไรก็ตาม สารที่รู้จักทั้งหมดมีดัชนีการหักเหของแสงที่เป็นบวก หลังจากค้นหาอย่างเข้มข้นเป็นเวลาหลายปี Veselago ไม่พบวัสดุชนิดเดียวที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เหมาะสม และสมมติฐานของเขาก็ถูกลืมไป พวกเขาจำได้เมื่อต้นศตวรรษที่ 21 เท่านั้น (ซม.: ).

ด้วยความก้าวหน้าล่าสุดในด้านวัสดุศาสตร์ แนวคิดของ Veselago จึงฟื้นคืนชีพขึ้นมา คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของสารถูกกำหนดโดยลักษณะของอะตอมและโมเลกุลที่ก่อตัวขึ้นซึ่งมีช่วงลักษณะที่ค่อนข้างแคบ ดังนั้นคุณสมบัติของวัสดุนับล้านที่เรารู้จักจึงไม่มีความหลากหลายมากนัก อย่างไรก็ตามในช่วงกลางทศวรรษ 1990 นักวิทยาศาสตร์จากศูนย์เทคโนโลยีวัสดุ Marconi ในอังกฤษเริ่มสร้างวัสดุ metamaterials ที่ประกอบด้วยองค์ประกอบขนาดมหึมาและกระจายคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในลักษณะที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากสารใดๆ ที่รู้จัก

ในปี 2000 David Smith และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ได้สร้างวัสดุ metamaterial ที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ พฤติกรรมของแสงในนั้นดูแปลกมากจนนักทฤษฎีต้องเขียนหนังสือเกี่ยวกับคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของสสารใหม่ นักทดลองกำลังพัฒนาเทคโนโลยีที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติอันน่าทึ่งของวัสดุเมตา ทำให้เกิดเลนส์ซูเปอร์เลนส์ที่สามารถสร้างภาพที่มีรายละเอียดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่ใช้ ด้วยความช่วยเหลือของพวกเขาจึงเป็นไปได้ที่จะสร้างวงจรขนาดเล็กที่มีองค์ประกอบนาโนสโคปและบันทึกข้อมูลจำนวนมหาศาลบนดิสก์ออปติคัล

การหักเหของแสงเชิงลบ

เพื่อให้เข้าใจว่าการหักเหของแสงเป็นลบเกิดขึ้นได้อย่างไร ขอให้เราพิจารณากลไกอันตรกิริยาของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ากับสสาร คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (เช่น ลำแสง) ที่ผ่านไปจะทำให้อิเล็กตรอนของอะตอมหรือโมเลกุลเคลื่อนที่ สิ่งนี้ใช้ส่วนหนึ่งของพลังงานคลื่นซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติของมันและธรรมชาติของการแพร่กระจาย เพื่อให้ได้คุณลักษณะทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่ต้องการ นักวิจัยเลือกองค์ประกอบทางเคมีของวัสดุ

แต่ดังที่ตัวอย่างของวัสดุเมตาแสดงให้เห็น เคมีไม่ใช่วิธีเดียวที่จะได้รับคุณสมบัติที่น่าสนใจของสสาร การตอบสนองทางแม่เหล็กไฟฟ้าของวัสดุสามารถ "ออกแบบ" ได้โดยการสร้างโครงสร้างขนาดมหึมาขนาดเล็ก ความจริงก็คือโดยปกติแล้วความยาวของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะมีขนาดมากกว่าขนาดของอะตอมหรือโมเลกุลหลายเท่า คลื่น "มองเห็น" ไม่ใช่โมเลกุลหรืออะตอมเดี่ยวๆ แต่เป็นปฏิกิริยารวมของอนุภาคนับล้าน สิ่งนี้ก็เป็นจริงสำหรับวัสดุเมตาเช่นกัน ซึ่งองค์ประกอบนั้นมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นอย่างมากเช่นกัน

สนามของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตามชื่อของมันมีทั้งองค์ประกอบทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก อิเล็กตรอนในวัสดุเคลื่อนที่ไปมาภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า และเคลื่อนที่เป็นวงกลมภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก ระดับของการโต้ตอบถูกกำหนดโดยคุณลักษณะสองประการของสาร: ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ε และการซึมผ่านของแม่เหล็ก μ . อันแรกแสดงระดับปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนต่อสนามไฟฟ้า ส่วนที่สองคือระดับปฏิกิริยาต่อสนามแม่เหล็ก วัสดุส่วนใหญ่ ε และ μ เหนือศูนย์

สมบัติทางแสงของสารมีลักษณะเฉพาะด้วยดัชนีการหักเหของแสง nซึ่งเกี่ยวข้องกับ ε และ μ ความสัมพันธ์ที่เรียบง่าย: n = ± √(ε∙μ). วัสดุที่รู้จักทั้งหมดจะต้องมีเครื่องหมาย "+" หน้ารากที่สอง ดังนั้นจึงต้องมีดัชนีการหักเหของแสงเป็นบวก อย่างไรก็ตาม ในปี พ.ศ. 2511 Veselago พบว่าสารที่มีค่าลบ ε และ μ ดัชนีการหักเหของแสง nต้องน้อยกว่าศูนย์ เชิงลบ ε หรือ μ ได้รับเมื่ออิเล็กตรอนในวัสดุเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงที่เกิดจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก แม้ว่าพฤติกรรมนี้ดูขัดแย้งกัน แต่การให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ต้านแรงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กก็ไม่ใช่เรื่องยาก

หากคุณดันลูกตุ้มด้วยมือ มันจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางของการผลักอย่างเชื่อฟังและเริ่มสั่นด้วยความถี่เรโซแนนซ์ที่เรียกว่า คุณสามารถเพิ่มแอมพลิจูดของการแกว่งได้ด้วยการกดลูกตุ้มให้ทันกับวงสวิง หากคุณดันด้วยความถี่ที่สูงกว่า แรงกระแทกจะไม่ตรงกับการแกว่งในเฟสอีกต่อไป และเมื่อถึงจุดหนึ่ง มือจะถูกกระแทกด้วยลูกตุ้มที่เคลื่อนเข้าหามัน ในทำนองเดียวกัน อิเล็กตรอนในวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบจะออกจากเฟสและเริ่มต้านทาน "การผลัก" ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

วัสดุเมตา

อิเล็กตรอนอิสระในวงจรดังกล่าวจะแกว่งด้วยความถี่เรโซแนนซ์ ขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของตัวนำ หากใช้ฟิลด์ที่มีความถี่ต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์ จะสังเกตเห็นการตอบสนองเชิงบวกตามปกติ อย่างไรก็ตาม เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การตอบสนองจะกลายเป็นลบ เช่นเดียวกับในกรณีที่ลูกตุ้มเคลื่อนที่เข้าหาคุณหากคุณดันมันด้วยความถี่ที่สูงกว่าเสียงสะท้อน ดังนั้นตัวนำในช่วงความถี่หนึ่งจึงสามารถตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าในฐานะตัวกลางที่มีขั้วลบ ε และวงแหวนที่มีรอยตัดสามารถเลียนแบบวัสดุที่มีประจุลบได้ μ . ตัวนำและวงแหวนที่มีรอยตัดเหล่านี้เป็นบล็อกพื้นฐานที่จำเป็นในการสร้างวัสดุเมตาที่หลากหลาย รวมถึงวัสดุที่ Veselago กำลังมองหาด้วย

การยืนยันการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการสร้างวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบได้รับในปี 2000 ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ซานดิเอโก ( ยูซีเอสดี). เนื่องจากองค์ประกอบพื้นฐานของวัสดุ metamaterial จะต้องมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นมาก นักวิจัยจึงทำงานร่วมกับการแผ่รังสีความยาวคลื่นเซนติเมตร และใช้องค์ประกอบที่มีขนาดไม่กี่มิลลิเมตร

นักวิทยาศาสตร์ชาวแคลิฟอร์เนียได้ออกแบบวัสดุเมตาที่ประกอบด้วยตัวนำไฟฟ้ากระแสสลับและ RKR ซึ่งประกอบกันเป็นรูปปริซึม ตัวนำให้ผลเป็นลบ ε และวงแหวนที่มีบาดแผล - ลบ μ . ผลลัพธ์ควรเป็นดัชนีการหักเหของแสงที่เป็นลบ เพื่อการเปรียบเทียบ ปริซึมที่มีรูปร่างเหมือนกันทุกประการนั้นทำจากเทฟลอนซึ่ง n= 1.4. นักวิจัยเล็งลำแสงไมโครเวฟไปที่ขอบปริซึมและวัดความเข้มของคลื่นที่โผล่ออกมาจากปริซึมในมุมที่ต่างกัน ตามที่คาดไว้ ลำแสงถูกหักเหเชิงบวกโดยปริซึมเทฟลอน และหักเหในทางลบโดยปริซึมวัสดุเมตา ข้อสันนิษฐานของ Veselago กลายเป็นความจริง: ในที่สุดก็ได้วัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบในที่สุด หรือไม่?

ต้องการหรือเป็นจริง?

การทดลองใน ยูซีเอสดีพร้อมกับการคาดการณ์ใหม่ๆ ที่น่าทึ่งที่นักฟิสิกส์ทำเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ ได้จุดประกายความสนใจในหมู่นักวิจัยคนอื่นๆ เมื่อ Veselago แสดงสมมติฐานของเขา ยังไม่มีวัสดุ metamaterial และผู้เชี่ยวชาญไม่ได้ศึกษาปรากฏการณ์การหักเหเชิงลบอย่างรอบคอบ ตอนนี้พวกเขาเริ่มให้ความสนใจเธอมากขึ้น ผู้คลางแคลงถามว่าวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบละเมิดกฎพื้นฐานของฟิสิกส์หรือไม่ หากเป็นเช่นนั้น โครงการวิจัยทั้งหมดจะถูกตั้งคำถาม

การถกเถียงที่ร้อนแรงที่สุดเกิดจากคำถามเรื่องความเร็วคลื่นในวัสดุที่ซับซ้อน แสงเดินทางในสุญญากาศด้วยความเร็วสูงสุด ค= 300,000 กม./วินาที ความเร็วแสงในวัสดุน้อยกว่า: โวลต์ =ซี/เอ็น. แต่จะเกิดอะไรขึ้นถ้า nเชิงลบ? การตีความสูตรความเร็วแสงอย่างง่ายแสดงให้เห็นว่าแสงเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้าม

คำตอบที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นจะพิจารณาว่าคลื่นมีความเร็วสองระดับ: เฟสและกลุ่ม เพื่อให้เข้าใจความหมาย ลองจินตนาการถึงแสงที่เคลื่อนผ่านตัวกลาง จะมีลักษณะดังนี้: แอมพลิจูดของคลื่นจะเพิ่มขึ้นจนถึงสูงสุดที่ศูนย์กลางของพัลส์ แล้วลดลงอีกครั้ง ความเร็วเฟสคือความเร็วของการระเบิดแต่ละครั้ง และความเร็วกลุ่มคือความเร็วที่เปลือกพัลส์เคลื่อนที่ พวกเขาไม่จำเป็นต้องเหมือนกัน

เวเซลาโกค้นพบว่าในวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ ความเร็วของกลุ่มและเฟสจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม โดยค่าสูงสุดและต่ำสุดของแต่ละค่าจะเคลื่อนที่ไปข้างหลัง ในขณะที่โมเมนตัมทั้งหมดเคลื่อนที่ไปข้างหน้า เป็นเรื่องที่น่าสนใจที่จะพิจารณาว่าลำแสงต่อเนื่องจากแหล่งกำเนิด (เช่น สปอตไลท์) ที่แช่อยู่ในวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบจะทำงานอย่างไร หากเราสามารถสังเกตการสั่นของคลื่นแสงแต่ละครั้งได้ เราจะเห็นว่ามันปรากฏบนวัตถุที่มีลำแสงส่องสว่าง เคลื่อนไปข้างหลัง และหายไปในสปอตไลท์ในที่สุด อย่างไรก็ตาม พลังงานของลำแสงจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้า โดยเคลื่อนออกจากแหล่งกำเนิดแสง ลำแสงจะแพร่กระจายไปในทิศทางนี้จริงๆ แม้ว่าการแกว่งแต่ละครั้งของลำแสงจะเคลื่อนที่ไปข้างหลังอย่างน่าประหลาดใจก็ตาม

ในทางปฏิบัติ เป็นการยากที่จะสังเกตการสั่นของคลื่นแสงแต่ละครั้ง และรูปร่างของชีพจรก็อาจซับซ้อนมาก ดังนั้น นักฟิสิกส์จึงมักใช้กลอุบายอันชาญฉลาดเพื่อแสดงความแตกต่างระหว่างความเร็วเฟสและความเร็วหมู่ เมื่อคลื่นสองลูกที่มีความยาวคลื่นต่างกันเล็กน้อยเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน คลื่นทั้งสองจะรบกวนกัน ทำให้เกิดรูปแบบของจังหวะที่จุดสูงสุดเคลื่อนที่ตามความเร็วของกลุ่ม

การนำเทคนิคนี้ไปใช้ในการทดลอง ยูซีเอสดีการหักเหของแสงในปี 2545 Prashant M. Valanju และเพื่อนร่วมงานของเขาที่มหาวิทยาลัยเท็กซัสในออสตินได้สังเกตเห็นสิ่งที่น่าสนใจ การหักเหที่จุดเชื่อมต่อระหว่างตัวกลางที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบและบวก ทำให้คลื่นสองลูกที่มีความยาวคลื่นต่างกันถูกเบี่ยงเบนไปในมุมที่ต่างกันเล็กน้อย รูปแบบจังหวะกลับกลายเป็นว่าไม่เป็นไปตามที่ควรจะเป็นสำหรับรังสีที่มีการหักเหเป็นลบ แต่ควรจะเป็นด้วยการหักเหเชิงบวก นักวิจัยจากเท็กซัสได้เปรียบเทียบรูปแบบของจังหวะกับความเร็วกลุ่มแล้วสรุปว่าคลื่นใดๆ ก็ตามที่เป็นไปได้ทางกายภาพควรได้รับการหักเหในเชิงบวก แม้ว่าอาจมีวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ แต่ก็ไม่สามารถบรรลุการหักเหของแสงที่เป็นลบได้

แล้วเราจะอธิบายผลการทดลองได้อย่างไร ยูซีเอสดี? วาลันชูและนักวิจัยอีกหลายคนถือว่าการหักเหทางลบที่สังเกตได้นั้นมาจากปรากฏการณ์อื่นๆ บางทีตัวอย่างอาจดูดซับพลังงานได้มากจนคลื่นโผล่ออกมาจากด้านแคบของปริซึมเท่านั้น เพื่อจำลองการหักเหของแสงในทางลบ ท้ายที่สุดแล้ว metamaterial ยูซีเอสดีดูดซับรังสีได้อย่างมากและทำการวัดใกล้กับปริซึม ดังนั้นสมมติฐานการดูดซับจึงดูเป็นไปได้ทีเดียว

การค้นพบนี้เป็นเรื่องที่น่ากังวลอย่างยิ่ง เนื่องจากไม่เพียงแต่จะทำให้การทดลองเป็นโมฆะเท่านั้น ยูซีเอสดีแต่ยังรวมถึงปรากฏการณ์ทั้งหมดที่เวเซลาโกทำนายไว้ด้วย อย่างไรก็ตาม หลังจากคิดอยู่สักพัก เราก็ตระหนักว่าเราไม่สามารถพึ่งพารูปแบบจังหวะเป็นตัวบ่งชี้ความเร็วของกลุ่มได้ สำหรับคลื่นสองลูกที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ต่างกัน รูปแบบการรบกวนไม่เกี่ยวข้องกับความเร็วของกลุ่ม

ในขณะที่ข้อโต้แย้งของนักวิจารณ์เริ่มพังทลายลง ก็มีหลักฐานการทดลองเพิ่มเติมเกี่ยวกับการหักเหของแสงเชิงลบเกิดขึ้น มินาส ทานีเลียน กรุ๊ป ( มินาส ทานีเลียน) จากบริษัท โบอิ้ง แฟนทอม เวิร์คส์ในซีแอตเทิลทำการทดลองซ้ำ ยูซีเอสดีด้วยปริซึมที่ทำจากวัสดุ metamaterial ที่มีการดูดซับต่ำมาก นอกจากนี้ เซ็นเซอร์ยังอยู่ห่างจากปริซึมมาก เพื่อไม่ให้สับสนการดูดกลืนแสงในวัสดุ metamaterial กับการหักเหของแสงเชิงลบ คุณภาพที่เหนือกว่าของข้อมูลใหม่ทำให้ข้อสงสัยเกี่ยวกับการมีอยู่ของการหักเหเชิงลบหมดไป

ยังมีต่อ

เมื่อควันของการสู้รบจางลง เราก็เริ่มตระหนักว่าเรื่องราวที่น่าทึ่งที่ Veselago บอกไม่ใช่คำสุดท้ายเกี่ยวกับวัสดุที่มีดัชนีเชิงลบ นักวิทยาศาสตร์โซเวียตใช้วิธีการสร้างรังสีแสงทางเรขาคณิตโดยคำนึงถึงการสะท้อนและการหักเหของแสงที่ขอบเขตของวัสดุต่างๆ เทคนิคอันทรงพลังนี้ช่วยให้เราเข้าใจ เช่น เหตุใดวัตถุในสระว่ายน้ำจึงดูใกล้กับพื้นผิวมากกว่าความเป็นจริง และเหตุใดดินสอที่จุ่มลงในของเหลวครึ่งหนึ่งจึงดูโค้งงอ ประเด็นก็คือดัชนีการหักเหของน้ำ ( n= 1.3) มากกว่าอากาศ และรังสีของแสงจะหักเหที่ขอบเขตระหว่างอากาศกับน้ำ ดัชนีการหักเหของแสงจะเท่ากับอัตราส่วนของความลึกจริงต่อความลึกที่ปรากฏโดยประมาณ

Veselago ใช้การติดตามรังสีเพื่อทำนายว่าลำแสงนั้นทำจากวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ n= −1 ควรทำหน้าที่เป็นเลนส์ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว พวกเราส่วนใหญ่คุ้นเคยกับเลนส์ที่ทำจากวัสดุหักเหแสงเป็นบวก ทั้งในกล้อง แว่นขยาย กล้องจุลทรรศน์ และกล้องโทรทรรศน์ พวกมันมีความยาวโฟกัส และตำแหน่งที่เกิดภาพนั้นขึ้นอยู่กับการรวมกันของทางยาวโฟกัสและระยะห่างระหว่างวัตถุกับเลนส์ โดยทั่วไปรูปภาพจะมีขนาดแตกต่างจากวัตถุ และเลนส์จะทำงานได้ดีที่สุดกับวัตถุที่วางอยู่บนแกนที่ส่องผ่านเลนส์ เลนส์ Veselago ทำงานแตกต่างไปจากเลนส์ทั่วไปอย่างสิ้นเชิง: การทำงานง่ายกว่ามาก โดยส่งผลต่อวัตถุที่อยู่ข้างๆ เท่านั้น และถ่ายโอนสนามแสงทั้งหมดจากด้านหนึ่งของเลนส์ไปยังอีกด้านหนึ่ง

เลนส์ของ Veselago นั้นแปลกมากจน John Pendry ( จอห์น บี. เพนดรี) ฉันต้องสงสัยว่า: มันจะทำงานได้อย่างสมบูรณ์แบบแค่ไหน? และโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เลนส์ Veselago มีความละเอียดสูงสุดเท่าใด องค์ประกอบทางแสงที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นบวกจะถูกจำกัดด้วยขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ซึ่งสามารถแก้ไขคุณสมบัติที่เท่ากับหรือมากกว่าความยาวคลื่นของแสงที่สะท้อนจากวัตถุได้ การเลี้ยวเบนทำให้เกิดขีดจำกัดสูงสุดในระบบการถ่ายภาพทั้งหมด เช่น วัตถุที่เล็กที่สุดที่มองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ หรือระยะห่างที่เล็กที่สุดระหว่างดาวสองดวงที่กล้องโทรทรรศน์สามารถแก้ไขได้ การเลี้ยวเบนยังกำหนดรายละเอียดที่เล็กที่สุดที่สามารถสร้างขึ้นได้ในกระบวนการพิมพ์หินด้วยแสงในการผลิตไมโครชิป (ชิป) ในทำนองเดียวกัน การเลี้ยวเบนจะจำกัดปริมาณข้อมูลที่สามารถจัดเก็บหรืออ่านบนแผ่นดิสก์วิดีโอดิจิทัลแบบออปติคอล (DVD) วิธีที่จะข้ามขีดจำกัดการเลี้ยวเบนสามารถปฏิวัติเทคโนโลยีได้ โดยอนุญาตให้การพิมพ์หินแบบออปติคัลเจาะทะลุช่วงระดับนาโน และอาจเพิ่มปริมาณข้อมูลที่จัดเก็บไว้ในดิสก์แบบออปติคัลได้หลายร้อยครั้ง

เพื่อตรวจสอบว่าเลนส์หักเหเชิงลบสามารถทำงานได้ดีกว่าเลนส์ทั่วไป (“บวก”) หรือไม่ เราจำเป็นต้องไปไกลกว่าแค่การดูเส้นทางของรังสี วิธีการแบบเดิมละเลยการเลี้ยวเบน ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้คาดการณ์ความละเอียดของเลนส์ที่มีการหักเหแสงเป็นลบได้ เพื่อรวมการเลี้ยวเบน เราต้องใช้คำอธิบายที่แม่นยำยิ่งขึ้นของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

ซูเปอร์เลนส์

เพื่ออธิบายให้ชัดเจนยิ่งขึ้น คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดใดก็ตาม เช่น อะตอมที่เปล่งออกมา เสาอากาศวิทยุ หรือลำแสง หลังจากที่ผ่านรูเล็กๆ จะทำให้เกิดสนามที่แตกต่างกันสองประเภท: สนามไกลและสนามใกล้ ดังที่ชื่อบอกไว้ สนามไกลนั้นถูกสังเกตจากวัตถุและถูกจับด้วยเลนส์ ทำให้เกิดเป็นภาพของวัตถุนั้น น่าเสียดายที่ภาพนี้มีเพียงภาพคร่าวๆ ของวัตถุ ซึ่งการเลี้ยวเบนจะจำกัดความละเอียดไว้ที่ความยาวคลื่น สนามใกล้ประกอบด้วยรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ทั้งหมดของวัตถุ แต่ความเข้มของแสงจะลดลงอย่างรวดเร็วตามระยะทาง เลนส์หักเหแสงเชิงบวกไม่มีโอกาสสกัดกั้นสนามใกล้ที่อ่อนแออย่างยิ่งและส่งข้อมูลไปยังภาพ อย่างไรก็ตาม กรณีนี้ไม่เป็นความจริงสำหรับเลนส์หักเหแสงเป็นลบ

หลังจากศึกษารายละเอียดว่าสนามใกล้และไกลของแหล่งกำเนิดมีปฏิกิริยากับเลนส์เวเซลาโกอย่างไร เพนดรีในปี 2000 สร้างความประหลาดใจให้กับทุกคน และได้ข้อสรุปว่าโดยหลักการแล้วเลนส์สามารถโฟกัสทั้งสนามใกล้และไกลได้ หากคำทำนายอันน่าทึ่งนี้เป็นจริง ก็หมายความว่าเลนส์ Veselago ไม่เหมือนกับเลนส์อื่นๆ ที่รู้จักทั้งหมด คือไม่อยู่ภายใต้ขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ดังนั้นโครงสร้างแบนที่มีการหักเหของแสงเป็นลบจึงเรียกว่าซูเปอร์เลนส์

ในการวิเคราะห์ในภายหลัง เราและคนอื่นๆ พบว่าความละเอียดของซูเปอร์เลนส์ถูกจำกัดด้วยคุณภาพของวัสดุหักเหของแสงที่เป็นลบ เพื่อประสิทธิภาพที่ดีที่สุด ไม่เพียงแต่ต้องมีดัชนีการหักเหของแสงเท่านั้น nเท่ากับ −1 แต่ ε และ μ ก็เท่ากับ −1 ทั้งคู่ด้วย เลนส์ที่ไม่เป็นไปตามเงื่อนไขเหล่านี้มีความละเอียดลดลงอย่างมาก การปฏิบัติตามเงื่อนไขเหล่านี้พร้อมกันถือเป็นข้อกำหนดที่ร้ายแรงมาก แต่ในปี 2004 Anthony Grbic ( แอนโทนี่ กริบิช) และจอร์จ เอเลฟเทริอาเดส ( จอร์จ วี. เอเลฟเทริอาเดส) จากมหาวิทยาลัยโตรอนโตได้แสดงให้เห็นการทดลองว่าวัสดุ metamaterial ที่สร้างขึ้นเพื่อให้มี ε =−1 และ μ =−1 ในช่วงความถี่วิทยุสามารถแก้ไขวัตถุในระดับที่เล็กกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนได้ ผลลัพธ์ของพวกเขาพิสูจน์ว่าซูเปอร์เลนส์สามารถสร้างขึ้นได้ แต่จะถูกสร้างขึ้นสำหรับความยาวคลื่นแสงที่สั้นกว่านี้ได้หรือไม่

ความยากในการปรับขนาดวัสดุ metamaterials ให้มีความยาวคลื่นแสงมีสองด้าน ขั้นแรก องค์ประกอบที่เป็นโลหะนำไฟฟ้าซึ่งก่อตัวเป็นชิปวัสดุเมตา เช่น ตัวนำและวงแหวนแยก จะต้องถูกลดขนาดลงเหลือระดับนาโนเมตร เพื่อให้องค์ประกอบเหล่านั้นมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ (400-700 นาโนเมตร) ประการที่สอง ความยาวคลื่นสั้นสอดคล้องกับความถี่ที่สูงกว่า และโลหะที่ความถี่ดังกล่าวมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่า ดังนั้นจึงระงับการสั่นพ้องซึ่งเป็นพื้นฐานของคุณสมบัติของวัสดุเมตา ในปี พ.ศ. 2548 คอสตาส ซูโกลิส ( คอสตาส ซูคูลิส) จากมหาวิทยาลัยไอโอวา และ Martin Wegener ( มาร์ติน เวเกเนอร์) จากมหาวิทยาลัยคาร์ลสรูเฮอ ประเทศเยอรมนี ได้ทดลองสาธิตว่าสามารถสร้างวงแหวนสลิทที่ทำงานที่ความยาวคลื่นต่ำเพียง 1.5 ไมครอนได้ แม้ว่าในช่วงความยาวคลื่นสั้นดังกล่าว เสียงสะท้อนของส่วนประกอบแม่เหล็กของสนามจะอ่อนมาก แต่วัสดุ metamaterial ที่น่าสนใจยังคงสามารถเกิดขึ้นได้จากองค์ประกอบดังกล่าว

แต่เรายังไม่สามารถสร้างวัสดุที่มีความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งให้ผลลัพธ์เป็น μ =−1 โชคดีที่สามารถประนีประนอมได้ เมื่อระยะห่างระหว่างวัตถุกับภาพน้อยกว่าความยาวคลื่นมาก จะต้องเป็นไปตามเงื่อนไข ε =−1 เท่านั้น และสามารถละเลยค่า μ ได้ เมื่อปีที่แล้ววงดนตรีของ Richard Blakey ( ริชาร์ด เบลกี) จากมหาวิทยาลัย Canterbury ในประเทศนิวซีแลนด์ และกลุ่ม Xiang Jang ( เซียงจาง) จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ได้สาธิตความละเอียดสูงพิเศษในระบบออพติคอลโดยปฏิบัติตามแนวทางเหล่านี้ ที่ความยาวคลื่นแสง เสียงสะท้อนภายในของโลหะอาจส่งผลให้เกิดค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเป็นลบ (ε) ดังนั้น ชั้นโลหะบางมากที่ความยาวคลื่นโดยที่ ε = −1 สามารถทำหน้าที่เป็นซูเปอร์เลนส์ได้ ทั้งเบลคีย์และจุงใช้ชั้นเงินหนาประมาณ 40 นาโนเมตรเพื่อถ่ายภาพลำแสงขนาด 365 นาโนเมตรที่ปล่อยออกมาจากรูที่มีรูปร่างเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสง แม้ว่าฟิล์มสีเงินจะยังห่างไกลจากเลนส์ในอุดมคติ แต่เลนส์ซูเปอร์เลนส์สีเงินก็ปรับปรุงความละเอียดของภาพได้อย่างมาก ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าหลักการพื้นฐานของเลนส์ซูเปอร์เลนส์นั้นถูกต้อง

มองไปสู่อนาคต

การสาธิตเลนส์ซูเปอร์เลนส์เป็นเพียงการคาดการณ์ล่าสุดเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุที่มีการหักเหของแสงเชิงลบที่กำลังจะเกิดขึ้น ซึ่งเป็นสัญญาณของความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วที่เกิดขึ้นในสาขาที่กำลังขยายตัวนี้ ความเป็นไปได้ของการหักเหเป็นลบทำให้นักฟิสิกส์ต้องพิจารณาสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเกือบทั้งหมดอีกครั้ง และเมื่อเข้าใจแนวคิดต่างๆ เหล่านี้อย่างถ่องแท้แล้ว ปรากฏการณ์ทางแสงขั้นพื้นฐาน เช่น การหักเหของแสงและขีดจำกัดความละเอียดของการเลี้ยวเบน จะต้องได้รับการพิจารณาใหม่ เพื่อพิจารณาถึงการบิดตัวใหม่ๆ ที่ไม่คาดคิดที่เกี่ยวข้องกับวัสดุที่มีการหักเหของแสงในเชิงลบ

ความมหัศจรรย์ของวัสดุเมตาและความมหัศจรรย์ของการหักเหเชิงลบยังคงต้อง "แปลง" ให้เป็นเทคโนโลยีประยุกต์ ขั้นตอนดังกล่าวจะต้องมีการปรับปรุงการออกแบบวัสดุ metamaterial และการผลิตด้วยต้นทุนที่สมเหตุสมผล ขณะนี้มีกลุ่มวิจัยจำนวนมากในด้านนี้กำลังพัฒนาแนวทางแก้ไขปัญหาอย่างจริงจัง

ทฤษฎีและการปฏิบัติของวิกเตอร์ เวเซลาโก

ชะตากรรมของ Viktor Georgievich Veselago แพทย์สาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ พนักงาน IOFAN และศาสตราจารย์ที่สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีมอสโก เล่นเรื่องตลกที่น่าสนใจกับเขา หลังจากทุ่มเททั้งชีวิตเพื่อฝึกฝนและทดลอง เขาได้รับการยอมรับในระดับสากลสำหรับการทำนายทางทฤษฎีเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าไดนามิกส์ที่น่าสนใจที่สุดปรากฏการณ์หนึ่ง

อุบัติเหตุร้ายแรง

Viktor Georgievich Veselago เกิดเมื่อวันที่ 13 มิถุนายน พ.ศ. 2472 ในยูเครนและตามที่เขาพูดจนถึงจุดหนึ่งเขาไม่สนใจฟิสิกส์ แล้วอุบัติเหตุร้ายแรงครั้งหนึ่งก็เกิดขึ้น ซึ่งไม่เพียงแต่เปลี่ยนทิศทางชีวิตของบุคคลเท่านั้น แต่ยังเปลี่ยนเวกเตอร์ของการพัฒนาวิทยาศาสตร์ในท้ายที่สุดด้วย ในชั้นประถมศึกษาปีที่ 7 เด็กชายล้มป่วยและเพื่อฆ่าเวลาจึงเริ่มอ่านหนังสือทั้งหมดติดต่อกัน หนึ่งในนั้นคือ “วิทยุคืออะไร” หลังจากอ่านเรื่องคิน่าแล้ว เด็กนักเรียนก็เริ่มสนใจวิศวกรรมวิทยุอย่างจริงจัง เมื่อจบชั้นประถมศึกษาปีที่ 10 เมื่อมีคำถามในการเลือกมหาวิทยาลัย เพื่อนของฉันคนหนึ่งบอกว่ามหาวิทยาลัยมอสโกกำลังเปิดภาควิชาฟิสิกส์และเทคโนโลยีใหม่ ซึ่งนอกเหนือจากสาขาวิชาเฉพาะทางอื่นแล้ว ยังมีฟิสิกส์รังสีอีกด้วย

ผู้สมัครคณะเทคนิคมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโกต้องทนต่อการสอบเก้าครั้งแบบ "มาราธอน" ในตอนแรก - คณิตศาสตร์เขียน - Veselago ได้รับ "สอง"... วันนี้เขาอธิบาย "ความลำบากใจ" นี้โดยข้อเท็จจริงที่ว่าเขาแค่สับสนพบว่าตัวเองอยู่ในกลุ่มผู้ชมจำนวนมากซึ่งเขารู้สึกเหมือนเป็นส่วนหนึ่งของ ทราย. วันรุ่งขึ้น เมื่อเขามารับเอกสาร รองคณบดี Boris Osipovich Solonouts (ซึ่งเรียกง่ายๆ ว่า BOS ลับหลัง) แนะนำให้เขามาสอบครั้งถัดไป เนื่องจากไม่มีอะไรจะเสีย ชายหนุ่มจึงทำอย่างนั้น ฉันผ่านการสอบที่เหลือทั้งหมดแปดครั้งด้วยคะแนน A ตรงและได้รับการยอมรับ ต่อมาหลายปีต่อมาปรากฎว่ามี "ผู้แพ้" ดังกล่าวค่อนข้างมากและสำนักงานคณบดีตัดสินใจที่จะไม่คัดเลือกผู้สมัครตามผลการสอบครั้งแรก

จากนั้นก็มีการศึกษาสี่ปีซึ่ง Viktor Georgievich เรียกว่าเป็นช่วงเวลาที่มีความสุขที่สุดในชีวิตของเขา นักเรียนได้รับการบรรยายจากผู้ทรงคุณวุฒิเช่น Pyotr Leonidovich Kapitsa, Lev Davidovich Landau... Viktor Veselago ใช้เวลาฝึกงานภาคฤดูร้อนที่สถานีวิทยุดาราศาสตร์ในไครเมียซึ่งเขาได้พบกับศาสตราจารย์ Semyon Emmanuilovich Khaikin ผู้อำนวยการของสถานีดังกล่าว ซึ่งเป็นพนักงานของ FIAN ปรากฎว่าเขาเป็นคนเขียนหนังสือเรื่อง "What is Radio?" โดยเซ็นนามแฝงว่า Keen

ในปีพ. ศ. 2494 คณะฟิสิกส์และเทคโนโลยีของมหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโกถูกปิด - "เติบโต" เข้าสู่สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีแห่งมอสโกและนักศึกษาของคณะฟิสิกส์และเทคโนโลยีเดิมก็ถูกแจกจ่ายให้กับคณะอื่น ๆ Viktor Georgievich จบลงที่คณะฟิสิกส์ของ Moscow State University และสำเร็จการศึกษาอย่างเป็นทางการ แต่คิดว่าตัวเองสำเร็จการศึกษาจากสถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยี Veselago ปกป้องวิทยานิพนธ์ของเขากับ Alexander Mikhailovich Prokhorov ที่สถาบันฟิสิกส์ P.N. Lebedev ซึ่งต่อมาเขายังคงทำงานภายใต้การนำของเขาต่อไป ครั้งแรก - ที่ FIAN และตั้งแต่ปี 1982 จนถึงทุกวันนี้ - ที่สถาบันฟิสิกส์ทั่วไปที่แยกตัวออกมา (IOFAN ซึ่งปัจจุบันมีชื่อว่า A.M. Prokhorov)

การก่อสร้าง "โซลินอยด์"

เพื่อให้ได้สนามแม่เหล็กที่มีความเข้มสูงมาก ในทศวรรษ 1960 สถาบันกายภาพ Lebedev กำลังสร้างสถานที่ปฏิบัติงานนอกชายฝั่งที่เรียกว่า "โซลินอยด์" GIPRONII มีส่วนร่วมในการออกแบบ แต่ Viktor Georgievich ได้พัฒนาองค์ประกอบหลักของโครงการด้วยตัวเอง เขายังคงเชื่อว่าหนึ่งในความสำเร็จที่สำคัญที่สุดของเขา นอกเหนือจากความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์แล้ว ก็คือทางลาดที่อนุญาตให้นำรถเข็นที่มีอุปกรณ์หนักมาที่ชั้นล่างได้ สำหรับการสร้างสถานที่ปฏิบัติงานนอกชายฝั่งเพื่อผลิตสนามแม่เหล็กแรงสูง Veselago ร่วมกับพนักงานจำนวนหนึ่งของ Lebedev Physical Institute และองค์กรวิทยาศาสตร์อื่น ๆ ได้รับรางวัล State Prize ในปี 1974

ซ้ายและขวา

ในทศวรรษ 1960 Viktor Georgievich เริ่มสนใจวัสดุที่เป็นทั้งเซมิคอนดักเตอร์และเฟอร์โรแมกเนติก ในปี 1967 ในวารสาร Uspekhi Fizicheskikh Nauk (UFN) เขาได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง "ไฟฟ้าพลศาสตร์ของสารที่มีค่าลบพร้อมกันของεและμ" โดยที่คำว่า "สารที่มีดัชนีการหักเหของแสงลบ n" ถูกนำมาใช้ครั้งแรกและ มีการอธิบายคุณสมบัติที่เป็นไปได้

ตามที่นักวิทยาศาสตร์อธิบายคุณสมบัติของเซมิคอนดักเตอร์อธิบายผ่านค่าเอปไซลอน (ε) - ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกและคุณสมบัติทางแม่เหล็กผ่านค่า mu (μ) - การซึมผ่านของแม่เหล็ก โดยทั่วไปปริมาณเหล่านี้จะเป็นค่าบวก แม้ว่าเราจะทราบว่าสารต่างๆ โดยที่ ε เป็นลบและ μ เป็นบวก หรือในทางกลับกัน เวเซลาโกสงสัยว่าจะเกิดอะไรขึ้นหากปริมาณทั้งสองเป็นลบ จากมุมมองทางคณิตศาสตร์สิ่งนี้เป็นไปได้ แต่จากมุมมองทางกายภาพ? Viktor Georgievich แสดงให้เห็นว่าสถานะดังกล่าวไม่ได้ขัดแย้งกับกฎของธรรมชาติ แต่อิเล็กโทรไดนามิกส์ของวัสดุดังกล่าวแตกต่างอย่างเห็นได้ชัดจากสภาวะที่และในเวลาเดียวกันมีค่ามากกว่าศูนย์ ประการแรกความจริงที่ว่าเฟสและความเร็วของกลุ่มของการสั่นสะเทือนทางแม่เหล็กไฟฟ้านั้นมีทิศทางที่แตกต่างกัน (ในสภาพแวดล้อมปกติ - ในทิศทางเดียว)

Veselago เรียกวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบว่า “คนถนัดซ้าย” และวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงที่เป็นบวก ตามลำดับเรียกว่า “คนถนัดขวา” โดยพิจารณาจากตำแหน่งสัมพัทธ์ของเวกเตอร์ทั้งสามที่แสดงลักษณะการแพร่กระจายของการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้า การหักเหของแสงที่ขอบเขตของสื่อทั้งสองเกิดขึ้นเป็นพิเศษเมื่อเทียบกับแกน z

หลังจากยืนยันความคิดของเขาในทางทฤษฎีแล้ว Viktor Georgievich พยายามที่จะนำไปใช้ในทางปฏิบัติโดยเฉพาะอย่างยิ่งในเซมิคอนดักเตอร์แม่เหล็ก อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถรับวัสดุที่ต้องการได้ เฉพาะในปี 2000 เท่านั้นที่นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก ในสหรัฐอเมริกา ที่ใช้ตัวกลางผสม ได้พิสูจน์ว่าการหักเหของแสงเชิงลบเป็นไปได้ การวิจัยของวิกเตอร์ เวเซลาโกไม่เพียงแต่วางรากฐานสำหรับทิศทางทางวิทยาศาสตร์ใหม่ (ดู: D. Pandry, D. Smith. In Search of a Superlens) แต่ยังทำให้สามารถชี้แจงสูตรทางกายภาพบางอย่างที่อธิบายพลศาสตร์ไฟฟ้าของสสารได้อีกด้วย ความจริงก็คือสูตรจำนวนหนึ่งที่ให้ไว้ในตำราเรียนใช้ได้เฉพาะในสิ่งที่เรียกว่าการประมาณที่ไม่ใช่แม่เหล็กนั่นคือเมื่อความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กเท่ากับความสามัคคีกล่าวคือสำหรับกรณีพิเศษของวัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็ก แต่สำหรับสารที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กแตกต่างจากเอกภาพหรือลบ จำเป็นต้องมีการแสดงออกทั่วไปมากกว่านี้ เวเซลาโกยังถือว่าการชี้ให้เห็นเหตุการณ์นี้เป็นผลสำคัญของงานของเขาด้วย

ก้าวสู่อนาคต

หลังจากบทความเชิงทำนาย นักวิจัยซึ่งยึดหลักการเปลี่ยนหัวข้อทุก ๆ 5-6 ปีเริ่มสนใจในด้านใหม่: ของเหลวแม่เหล็ก, โฟโตแม่เหล็ก, ความเป็นตัวนำยิ่งยวด

โดยทั่วไปตามความทรงจำของเขาในช่วงเวลาที่เขาอยู่ที่ FIAN-IOFAN เขาเดินผ่านเส้นทางมาตรฐานของ "นักวิทยาศาสตร์โซเวียต" - ตั้งแต่นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาไปจนถึงปริญญาเอกสาขาวิทยาศาสตร์หัวหน้าภาควิชาสนามแม่เหล็กแรงสูงซึ่งโดย ปลายทศวรรษ 1980 มีพนักงานประมาณ 70 คนทำงานใน 5-7 ทิศทางที่แตกต่างกัน อันที่จริงภาควิชาเป็นเพียงสถาบันเล็กๆ ภายในสถาบันแห่งหนึ่ง ซึ่งในช่วงเวลานี้มีผู้สมัครเข้าศึกษาด้านวิทยาศาสตร์มากกว่า 30 คน

ตอนนี้ Viktor Georgievich เป็นหัวหน้าห้องปฏิบัติการวัสดุแม่เหล็กของแผนกสนามแม่เหล็กแรงของ IOFAN ซึ่งตั้งชื่อตาม อ. เอ็ม. โปรโคโรวา สำหรับผลงานชุด "ความรู้พื้นฐานของไฟฟ้าพลศาสตร์ของสื่อที่มีดัชนีการหักเหของแสงเชิงลบ" ในปี 2547 เขาได้รับรางวัล Academician V.A. โฟก้า.

Viktor Georgievich สอนอยู่ที่สถาบันฟิสิกส์และเทคโนโลยีมอสโกมานานกว่า 40 ปี ปัจจุบันเป็นศาสตราจารย์ในภาควิชาฟิสิกส์ประยุกต์ คณะฟิสิกส์และปัญหาพลังงาน สอนหลักสูตรที่เขาสร้าง "พื้นฐานของฟิสิกส์การสั่น" และยังจัดสัมมนาและชั้นเรียนห้องปฏิบัติการที่ภาควิชาฟิสิกส์ทั่วไปอีกด้วย

V. G. Veselago เป็นนักวิทยาศาสตร์ประเภทหายากซึ่งมีความสนใจทางวิทยาศาสตร์มากมาย เขาเป็นนักทฤษฎีที่ยอดเยี่ยมและในขณะเดียวกันก็เป็นนักฟิสิกส์ทดลอง วิศวกร ผู้ออกแบบการติดตั้งที่มีสนามแม่เหล็กแรงสูง นอกจากนี้ เขายังมีความสามารถในฐานะศาสตราจารย์ โดยมีส่วนสนับสนุนอย่างมากในการสอนฟิสิกส์ทั่วไปที่ MIPT และให้คำปรึกษาแก่นักเรียนจำนวนมาก มันเป็นคุณสมบัติเหล่านี้ของนักวิทยาศาสตร์ที่ทำให้บุคลิกของ Viktor Georgievich น่าดึงดูดมาก

การบุกรุกของเวิลด์ไวด์เว็บ

ในช่วง 15 ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ได้เปลี่ยนแปลงความสนใจของเขาอีกครั้งหรือค่อนข้างขยายออกไป โดยกลายเป็นผู้ริเริ่มโครงการเครือข่ายสองโครงการ

ในปี 1993 บริการ Infomag ได้ถูกจัดตั้งขึ้น โดยแจกจ่ายสารบัญของวารสารวิทยาศาสตร์และเทคนิค และกระดานข่าวอิเล็กทรอนิกส์ทางวิทยาศาสตร์ต่างประเทศในหมู่นักวิทยาศาสตร์ ทุกอย่างเริ่มต้นจากการที่ IOFAN เป็นหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่เชื่อมต่อกับอินเทอร์เน็ต หลังจากได้รับที่อยู่อีเมลแรก Veselago เริ่มสนใจการประชุมทางไกลด้านฟิสิกส์และเริ่มรับจดหมายข่าว อัพเดทข่าวฟิสิกส์ซึ่งเขาส่งต่อให้เพื่อนร่วมงานของเขา จากนั้นเขาก็จัดกระจายเนื้อหาและวารสารวิทยาศาสตร์อื่นๆ สิ่งตีพิมพ์แรกที่ให้ข้อมูลแก่บริการ Infomag คือ Journal of Experimental and Theoretical Physics (JETP), Letters to JETP และ Instruments and Experimental Techniques ขณะนี้รายการมีมากกว่า 150 รายการ

ความสำเร็จของ Infomag มีส่วนทำให้เกิด "ผลิตผล" ที่สองของ Veselago ซึ่งเป็นวารสารวิทยาศาสตร์อิเล็กทรอนิกส์หลายสาขาวิชาแห่งแรกของรัสเซีย "Researched in Russia" ซึ่งเริ่มมีอยู่ในปี 1998 จัดพิมพ์ในรูปแบบอิเล็กทรอนิกส์เท่านั้น และจัดพิมพ์บทความประมาณ 250 บทความต่อปี ทั้งจากสาขาวิทยาศาสตร์ธรรมชาติและมนุษยศาสตร์

จากข้อมูลของ Viktor Georgievich ความต้องการสิ่งพิมพ์ทางวิทยาศาสตร์อิเล็กทรอนิกส์ในรัสเซียนั้นยอดเยี่ยมมาก ไม่เพียง แต่เป็นหน่วยงานอิสระเท่านั้น แต่ยังอยู่ในกรอบของสิ่งพิมพ์เวอร์ชันออนไลน์ด้วย รัสเซียมีการตีพิมพ์วารสารวิทยาศาสตร์และเทคนิคเชิงวิชาการหลายร้อยฉบับ แต่ส่วนใหญ่ไม่มีอยู่ในรูปแบบอิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นผู้เชี่ยวชาญในประเทศจึงไม่สามารถเข้าถึงผลงานของเพื่อนร่วมงานได้ทันที ซึ่งขัดขวางการมีผลสำเร็จและ บทสนทนาที่รวดเร็วระหว่างนักวิทยาศาสตร์

วิคเตอร์ จอร์จีวิช เวเซลาโก

เกือบ 40 ปีที่แล้ว Viktor Veselago นักวิทยาศาสตร์ชาวโซเวียตตั้งสมมติฐานการมีอยู่ของวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบ:

วัสดุเมตาเป็นวัสดุคอมโพสิตที่มีคุณสมบัติถูกกำหนดโดยคุณสมบัติทางกายภาพของแต่ละส่วนประกอบไม่มากนักเท่ากับโครงสร้างจุลภาค คำว่า "วัสดุเมตา" มักใช้สัมพันธ์กับวัสดุผสมที่แสดงคุณสมบัติที่ไม่มีลักษณะเฉพาะของวัตถุที่พบในธรรมชาติ .

สมการคลื่น

จากสมการของแมกซ์เวลล์สำหรับตัวกลางที่ไม่นำไฟฟ้าที่เป็นเนื้อเดียวกันที่เป็นเนื้อเดียวกัน จะเป็นไปตามว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถแพร่กระจายในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าด้วยความเร็วเฟส

ในสุญญากาศ ความเร็วนี้เท่ากับความเร็วแสง

ดังนั้นความเร็วเฟสของการแพร่กระจาย อืม คลื่นในสารถูกกำหนดโดยค่าคงที่แม่เหล็กและไดอิเล็กตริกของตัวกลาง

อัตราส่วนของความเร็วแสงในสุญญากาศต่อ|ทำ| ความเร็วแสงในตัวกลาง - nเรียกว่าดัชนีการหักเหสัมบูรณ์ของตัวกลาง

วิกเตอร์ เวเซลาโกเสนอสมมติฐานต่อไปนี้:

“หากเราไม่คำนึงถึงการสูญเสียและถือว่า n, ε และ μ เป็นจำนวนจริง ก็ชัดเจนว่าการเปลี่ยนแปลงสัญญาณของ ε และ μ พร้อมๆ กัน จะไม่ส่งผลกระทบต่ออัตราส่วนแต่อย่างใด สถานการณ์นี้สามารถอธิบายได้หลายวิธี ประการแรก เราสามารถยอมรับได้ว่าคุณสมบัติของสารไม่ได้ขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณของ ε และ μ พร้อมๆ กัน ประการที่สอง อาจกลายเป็นว่าการปฏิเสธพร้อมกันของ ε และ μ นั้นขัดแย้งกับกฎพื้นฐานของธรรมชาติใด ๆ ดังนั้นสารที่มี ε< 0 и μ < 0 не могут существовать. Наконец, следует признать, что вещества с отрицательными ε и μ обладают какими-то свойствами, отличными от свойств веществ с положительными ε и μ. Как мы увидим в дальнейшем, осуществляется именно этот третий случай.»

สื่อไอโซโทรปิก "ขวา" และ "ซ้าย"

ปล่อยให้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าระนาบแพร่กระจายในตัวกลางที่ไม่นำไฟฟ้าเป็นกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันในทิศทางของแกน x ซึ่งด้านหน้าของคลื่นตั้งฉากกับทิศทางของการแพร่กระจาย

เวกเตอร์และสร้างระบบสำหรับคนถนัดขวาโดยมีทิศทางของการแพร่กระจายคลื่น ณ จุดคงที่ในอวกาศ พวกมันเปลี่ยนแปลงตามเวลาตามกฎฮาร์มอนิกในเฟสเดียว

สภาพแวดล้อมดังกล่าวจึงถูกเรียกว่า “ฝ่ายขวา”

สภาพแวดล้อมที่ ε และ μ เป็นลบทั้งคู่เรียกว่า "คนถนัดซ้าย"

ในสื่อดังกล่าว เวกเตอร์ไฟฟ้า แม่เหล็ก และคลื่นก่อตัวเป็นระบบของเวกเตอร์ทางซ้าย

แน่นอนว่าหากคุณใช้มือดันลูกตุ้ม มันจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางของการผลักอย่างเชื่อฟังและเริ่มสั่นด้วยความถี่เรโซแนนซ์ที่เรียกว่า คุณสามารถเพิ่มแอมพลิจูดของการแกว่งได้ด้วยการกดลูกตุ้มให้ทันกับวงสวิง หากคุณดันด้วยความถี่ที่สูงกว่า แรงกระแทกจะไม่ตรงกับการแกว่งในเฟสอีกต่อไป และเมื่อถึงจุดหนึ่ง มือจะถูกกระแทกด้วยลูกตุ้มที่เคลื่อนเข้าหามัน ในทำนองเดียวกัน อิเล็กตรอนในวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบจะออกจากเฟสและเริ่มต้านทาน "การผลัก" ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า

ดังนั้นในปี 1968 Veselago แสดงให้เห็นว่าสารที่มีค่าลบ ε และ μ ควรมีดัชนีการหักเหของแสง n น้อยกว่า 0

การยืนยันการทดลอง.

อิเล็กตรอนในวัสดุเคลื่อนที่ไปมาภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า และเคลื่อนที่เป็นวงกลมภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก ระดับของการโต้ตอบถูกกำหนดโดยคุณลักษณะสองประการของสาร: ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ε และการซึมผ่านของแม่เหล็ก μ อันแรกแสดงระดับปฏิกิริยาของอิเล็กตรอนต่อสนามไฟฟ้า ส่วนที่สองคือระดับปฏิกิริยาต่อสนามแม่เหล็ก วัสดุส่วนใหญ่มี ε และ μ มากกว่าศูนย์

ค่าลบ ε หรือ μ เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนในวัสดุเคลื่อนที่ในทิศทางตรงกันข้ามกับแรงที่เกิดจากสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก แม้ว่าพฤติกรรมนี้ดูขัดแย้งกัน แต่การให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ต้านแรงของสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กก็ไม่ใช่เรื่องยาก

จะค้นหาสารดังกล่าวได้ที่ไหนและอย่างไร?

การยืนยันการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการสร้างวัสดุที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบได้รับในปี 2000 ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียที่ซานดิเอโก (UCSD) เนื่องจากองค์ประกอบพื้นฐานของวัสดุ metamaterial จะต้องมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นมาก นักวิจัยจึงทำงานร่วมกับการแผ่รังสีความยาวคลื่นเซนติเมตร และใช้องค์ประกอบที่มีขนาดไม่กี่มิลลิเมตร

หัวใจสำคัญของปฏิกิริยาเชิงลบประเภทนี้คือการสั่นพ้อง ซึ่งก็คือแนวโน้มที่จะสั่นสะเทือนที่ความถี่เฉพาะ มันถูกสร้างขึ้นเทียมในวัสดุ metamaterial โดยใช้วงจรเรโซแนนซ์ขนาดเล็กที่จำลองการตอบสนองของสารต่อสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้า ตัวอย่างเช่น ในเครื่องสะท้อนเสียงแบบวงแหวนหัก (RRR) ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านวงแหวนโลหะจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสวงกลมในวงแหวนนั้น คล้ายกับกระแสที่ทำให้เกิดความเป็นแม่เหล็กของวัสดุบางชนิด และในโครงตาข่ายที่เป็นแท่งโลหะตรง สนามไฟฟ้าจะสร้างกระแสที่พุ่งไปตามแท่งโลหะเหล่านั้น อิเล็กตรอนอิสระในวงจรดังกล่าวจะแกว่งด้วยความถี่เรโซแนนซ์ ขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของตัวนำ หากใช้ฟิลด์ที่มีความถี่ต่ำกว่าความถี่เรโซแนนซ์ จะสังเกตเห็นการตอบสนองเชิงบวกตามปกติ อย่างไรก็ตาม เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น การตอบสนองจะกลายเป็นลบ เช่นเดียวกับในกรณีที่ลูกตุ้มเคลื่อนที่เข้าหาคุณหากคุณดันมันด้วยความถี่ที่สูงกว่าเสียงสะท้อน ดังนั้น ตัวนำในช่วงความถี่หนึ่งสามารถตอบสนองต่อสนามไฟฟ้าในฐานะตัวกลางที่มีค่าลบ ε และวงแหวนที่มีการตัดสามารถจำลองวัสดุที่มีค่าลบ μ ได้ ตัวนำและวงแหวนที่มีรอยตัดเหล่านี้เป็นบล็อกพื้นฐานที่จำเป็นในการสร้างวัสดุเมตาที่หลากหลาย รวมถึงวัสดุที่ Veselago กำลังมองหาด้วย

นักวิทยาศาสตร์ชาวแคลิฟอร์เนียได้ออกแบบวัสดุเมตาที่ประกอบด้วยตัวนำไฟฟ้ากระแสสลับและ RKR ซึ่งประกอบกันเป็นรูปปริซึม ตัวนำให้ค่าลบ ε และวงแหวนที่มีรอยตัดให้ค่าลบ μ ผลลัพธ์ควรเป็นดัชนีการหักเหของแสงที่เป็นลบ สำหรับการเปรียบเทียบ ปริซึมที่มีรูปร่างเหมือนกันทุกประการทำจากเทฟลอน โดยที่ n = 1.4 นักวิจัยเล็งลำแสงไมโครเวฟไปที่ขอบปริซึมและวัดความเข้มของคลื่นที่โผล่ออกมาจากปริซึมในมุมที่ต่างกัน ตามที่คาดไว้ ลำแสงถูกหักเหเชิงบวกโดยปริซึมเทฟลอน และหักเหในทางลบโดยปริซึมวัสดุเมตา

ผลที่ตามมา.

การหักเหของแสงที่จุดเชื่อมต่อระหว่างสื่อสองชนิดที่มีด้านต่างกัน

ซูเปอร์เลนส์

แผ่นวัสดุ metamaterial ระนาบขนานอย่างง่ายที่มี n<0 может фокусировать лучи от источника на малом расстоянии от неё см. рисунок ниже.

แผ่นระนาบขนานที่ทำจากวัสดุเมตาที่มี n<0

ในสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม พื้นที่ภาพของเลนส์จะไม่เหมือนกันกับตัววัตถุ เนื่องจากมันถูกสร้างขึ้นโดยไม่มีคลื่นหายไป ในตัวกลางด้านซ้าย คลื่นหายตัวจะไม่ลดทอนลง ในทางกลับกัน แอมพลิจูดของคลื่นจะเพิ่มขึ้นเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ออกจากวัตถุ ดังนั้นภาพจึงถูกสร้างขึ้นโดยการมีส่วนร่วมของคลื่นหายตัว ซึ่งทำให้สามารถรับภาพที่มีความละเอียดได้ ดีกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน เป็นไปได้ที่จะเอาชนะขีดจำกัดการเลี้ยวเบนเมื่อสร้างระบบออพติคัลดังกล่าว โดยใช้ระบบเหล่านี้เพื่อเพิ่มความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์ สร้างวงจรไมโครระดับนาโน และเพิ่มความหนาแน่นในการบันทึกบนสื่อบันทึกข้อมูลแบบออปติคัล

แรงกดดันด้านลบ

การสะท้อนของรังสีที่แพร่กระจายในตัวกลางที่มี n< 0, от идеально отражающей поверхности. Луч света при отражении от тела увеличивает свой импульс на величину , (N-число падающих фотонов). Световой давление, оказываемое светом на поглощающие правые среды, сменяется его притяжением в левой среде.

ข่าว

เมื่อต้นปี พ.ศ. 2550 ได้มีการประกาศการสร้างวัสดุ metamaterial ที่มีดัชนีการหักเหของแสงเป็นลบในบริเวณที่มองเห็นได้ วัสดุนี้มีดัชนีการหักเหของแสงที่ความยาวคลื่น 780 นาโนเมตรเท่ากับ −0.6

ในปี 2554 มีการตีพิมพ์บทความระบุว่ามีการทดสอบเทคโนโลยีในสหรัฐอเมริกาซึ่งช่วยให้สามารถผลิตวัสดุ metamaterial แผ่นใหญ่ได้จำนวนมาก

Metamaterial โดยการพิมพ์

บทสรุป

การศึกษาและการสร้างวัสดุเมตาใหม่ที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัวจะช่วยให้มนุษยชาติมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีหลายด้านในอนาคตอันใกล้นี้ ซึ่งรวมถึงการวิจัยทางดาราศาสตร์ด้วยเลนส์ซูเปอร์เลนส์ที่เอาชนะขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของความละเอียด แหล่งพลังงานทางเลือก - แผงโซลาร์เซลล์ใหม่ที่มีประสิทธิภาพมากกว่า 20% จะปรากฏขึ้น วัสดุ - มองไม่เห็น ฯลฯ ทิศทางในการวิจัยมีมากมาย และที่สำคัญที่สุดคือประสบความสำเร็จ