Metamateriaal

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Metamateriaal is de naam van een klasse van synthetische materialen met unieke, ongewone elektromagnetische eigenschappen die niet voorkomen in natuurlijke materialen. Meestal worden hiermee materialen bedoeld met een negatieve brekingsindex, maar dit is niet de enige mogelijke ongewone eigenschap.[1] Synthetische materialen met zeer hoge waarden voor permeabiliteit of permittiviteit, of beide, die niet in natuurlijke materialen voorkomen, worden bijvoorbeeld ook tot de metamaterialen gerekend.[2]

Negatieve brekingsindex[bewerken]

Breking van licht van de normaal af

De brekingsindex van een materiaal wordt gegeven door:

n=\begin{cases}+\sqrt{\epsilon_r\mu_r}&\epsilon_r,\mu_r>0\\-\sqrt{\epsilon_r\mu_r}&\epsilon_r,\mu_r<0\end{cases}

In het geval van een metamateriaal, waarbij de permeabiliteit \mu_r én permittiviteit \epsilon_r negatief zijn, is de brekingsindex negatief. Uit de wet van Snellius volgt dat dit betekent dat licht in de andere richting breekt dan normaal, zoals te zien in de figuur hiernaast. Hierdoor kan een metamateriaal als superlens fungeren, omdat een rechthoekig stuk metamateriaal een perfect beeld van het origineel kan creëren. Zo'n superlens kan gebruikt worden in nabije-veld optische rastermicroscoop (SNOM), zodat de tip dichtbij het metamateriaal scant in plaats van het sample zelf.

Voor een metamateriaal is straling ten gevolge van het Tsjerenkov-effect in de andere richting, is het Doppler-effect omgekeerd en is de fasesnelheid van een golf dus tegengesteld gericht aan de groepssnelheid en Poynting-vector.

Fabricatie[bewerken]

In de natuur komen geen materialen voor waarbij de permittiviteit en permeabiliteit beide negatief zijn voor een bepaalde golflengte. Alle metamaterialen worden dus gemaakt door middel van synthese. De opbouw van een metamateriaal hoeft niet per definitie periodiek te zijn, maar aangezien dit het proces wel vermakkelijkt, wordt het over het algemeen wel gedaan.

Een veelvoorkomende groep van metamaterialen bestaat uit een periodieke structuur van zogenaamde split-ring resonators. Dit zijn U-vormige metalen ringen en een periodieke structuur hiervan heeft een negatieve permeabiliteit. De negatieve permitiviteit wordt gerealiseerd door een andere periodieke structuur. Vervolgens worden afwisselend lagen van de ene structuur en de andere structuur opgebouwd. Deze periodieke structuren moeten een periodiciteit hebben ter grootte van de golflengte van de elektromagnetische straling waarvoor het materiaal een negatieve brekingsindex moet hebben.

Toepassingen[bewerken]

Een metamateriaal kan gebruikt worden om voorwerpen onzichtbaar te maken. Bij een enkele golflengte is dit aangetoond voor een cilindervormige disk.[3] Elektromagnetische golven worden door het metamateriaal zodanig afgebogen dat ze er na het materiaal hetzelfde uitzien als voor het materiaal. Aangezien er geen verschil in de golf is, is het object niet te detecteren.

Referenties[bewerken]

  1. METAMORPHOSE VI: Metamaterials Definition
  2. Filiberto Bilotti, Levent Sevgi. "Metamaterials: Definitions, Properties, Applications, and FDTD-Based Modeling and Simulation." International Journal of RF & Microwave Computer-Aided Engineering, 2012, vol. 22 nr. 4, blz. 422-438. DOI:10.1002/mmce.20634
  3. Schurig et al. Science 314, 977 (2006)