Academic CentreMetamateriāli
Daba un arī cilvēka tehniskās iespējas turpina pārsteigt. Viens no šādiem pārsteigumiem ir metamateriāli – kompozīti ar negatīvu gaismas laušanas koeficientu. Tas ir pilnīgā pretstatā pierastajiem priekšstatiem, ka vielas gaismas laušanas koeficients, kā atceramies no skolas laikiem, var būt tikai pozitīvs lielums. Metamateriāli ir jauna fizikālo pētījumu un tehnisko eksperimentu joma, kas nākotnē sola daudzus neparastus pielietojumus. Elektromagnētismā par metamateriāliem uzskata tādus materiālus, kuru elektromagnētiskās īpašības ir atkarīgas drīzāk no to struktūras, nevis no materiāla kā tāda. Lai šāda materiāla struktūra ietekmētu elektromagnētiskos viļņus, metamateriālu struktūras elementiem jābūt vismaz tik maziem, cik mazs ir elektromagnētiskā viļņa garums, ar ko šī struktūra mijiedarbojas. Toties, lai metamateriālu varētu uzskatīt par homogēnu un, to varētu aprakstīt izmantojot laušanas koeficientu, materiāla struktūrelementiem jābūt daudz mazākiem par viļņa garumu. Piemēram, redzamajā gaismā struktūrelementa izmēriem jābūt mikrometra robežās.
Pie metamateriāliem pieskaita vielas ar negatīvu gaismas laušanas koeficientu. Parasti tiek uzskatīts, ka materiāliem, kuros izpaužas optiskās parādības, piemēram, stiklam vai ūdenim, magnētiskās caurlaidības μ un dielektriskās caurlaidības ε vērtības ir pozitīvi lielumi. Magnētiskās un dielektriskās caurlaidības jēdzienos šoreiz neiedziļināsimies, pateiksim tikai, ka tādiem materiāliem, kā, piemēram, zelts un sudrabs, dielektriskā caurlaidība redzamajā gaismā ir negatīva, arī magnētiskā caurlaidība ir negatīva, un materiāls elektromagnētisko vilni cauri nelaiž.
Metamateriāli vispār ir iespējami tādēļ, ka gaismas laušanas koeficienta N formulā ietilpst kvadrātsakne: . Vispārpieņemts, ka ņem vērā tikai kvadrātsaknes pozitīvo vērtību un aplūko materiālus, kam ε un μ vērtība ir pozitīva. Taču, ja abas vērtības ir negatīvas, to reizinājums ir pozitīvs un N ir reāls skaitlis. Bet, ņemot vērā mīnusa zīmi pirms kvadrātsaknes, laušanas koeficients iznāk ar negatīvu vērtību.
Gandrīz pirms 40 gadiem krievu fiziķis Viktors Veselago teorētiski izpētīja un aprēķināja elektrodinamiku vielām ar negatīvām magnētiskās μ un dielektriskās ε caurlaidības vērtībām, tomēr tā palika tikai teorija. Attīstoties fizikai un elektronikai, radās iespēja izgatavot un reāli pierādīt šādu materiālu eksistenci.
Metamateriāliem ar negatīvu laušanas koeficientu ir citādas īpašības, kas izmaina iepriekšpieņemtos uzskatus:
- Snēliusa gaismas laušanas likums joprojām darbojas, bet stari tiek lauzti tajā pašā normāles pusē.
- Doplera efekts ir apgriezts – skaņas avotam tuvojoties, frekvence samazinās, bet attālinoties - palielinās.
- Augstākām frekvencēm atbilst lielāki viļņu garumi, nevis mazāki,
- Šādi materiāli elektromagnētiskajā laukā pakļaujas nevis t.s. labās rokas likumam, bet gan kreisās rokas likumam.
Angļu fiziķis J. B. Pendrjū (J. B. Pendry) bija pirmais, kas atklāja praktisku veidu kā izgatavot metamateriālus, kas pakļaujas kreisās rokas likumam (left-handed materials), šajā gadījuma saprotot, ka materiāla elektromagnētiskā viļņa enerģija izplatās pretēji fāzes ātrumam. Pendrjū ideja ir tāda, ka sakārtojot metāla stieplītes viļņa izplatīšanās virzienā, varētu radīt materiālu ar negatīvu kapacitāti ε<0. Galvenā problēma ir izveidot materiālu ar negatīvu caurlaidību μ<0. 1999. gadā Pendrjū nodemonstrēja, ka atvērts gredzens, kura ass ir vērsta viļņa izplatīšanās virzienā, spēj radīt negatīvu caurlaidību. Izveidojot virkni šādu materiālu, ir iespējams paaugstināt negatīvā laušanas koeficienta vērtību. Dabiskie materiāli ir izveidoti no atomiem, kas ir dipoli. Šie dipoli samazina gaismas ātrumu ar kārtu n, kur n ir laušanas koeficients. Gredzenu un stiepļu sistēmai metamateriālos ir dipolu loma: stieplīte darbojas kā ferroelektrisks atoms, bet gredzens kā indukcijas spole L un atvērtā daļa - kā kapacitāte C. Kad elektromagnētiskais lauks iet cauri gredzenam, rodas indukcijas strāva, un radītais lauks ir perpendikulārs gaismas magnētiskajam laukam, rezultātā magnētiskā lauka rezonanse dod negatīvu caurlaidību μ, un laušanas koeficients arī ir negatīvs.
Pirmās lēcas, kuru izšķirtspēja pārsniedza difrakcijas robežu, tika izveidotas 2002. gadā. Kā zināms, elektromagnētiskajam laukam ir gan elektriskā, gan magnētiskā komponente, bet fotokamerās, mikroskopos, teleskopos u.c., lietotās lēcas darbojas tikai elektriskajā laukā, jo gandrīz visi materiāli optiskajās frekvencēs ir magnētiski inerti. Jaunākie metamateriāli var darboties terahercu frekvenču diapazonā, kas atrodas starp infrasarkano un mikroviļņu starojumu, un tos var izveidot no elementiem, piemēram, vara, kas nav magnētisks. Ierobežojot elektriskās un magnētiskās komponentes optiskajās frekvencēs, var iegūt lēcas ar ievērojami lielāku izšķirtspēju nekā normāli. Šādas lēcas spēj izšķirt mazākas detaļas par gaismas viļņa garumu, tās ierobežo tikai materiāls, no kā tās izgatavotas.
Izmantojot zināšanas par metamateriāliem, apmetņi, kas padara neredzamu, arī vairs nav nekāda zinātniskā fantastika, jo gaisma ap tiem apliektos un otrā pusē turpinātu ceļu tieši tādā pašā virzienā.
Metamateriālus varētu izmantot, lai iegūtu lētus, bet augstas kvalitātes pastāvīgos magnētus, kas nodrošinātu tanku un automobiļu elektrisko vadāmību, klusākus un efektīvākus motorus, kā izmantot, lai panāktu datora cietā diska daudzkārt ātrāku griešanos. Augsttemperatūras un lielas stiprības mīkstos magnētus, kā arī vieglus, efektīvus un reciklējamus materiālus būtu iespējams izmantot bezvadu enerģijas pārvadei.
Raksta saīsinātā, populārā versija un attēli publicēti žurnāla Terra 2007. gada maija – jūnija numurā.