Ud over gode vibrationer:Ny indsigt i metamaterialemagi

Hvis usynlighedskapper og andre gee-whiz-apps nogensinde skal flytte fra science fiction til science fact, vi bliver nødt til at vide mere om, hvordan disse underlige metamaterialer rent faktisk fungerer. Michigan Tech -forsker Elena Semouchkina er gået tilbage til det grundlæggende og kastet mere lys over fysikken bag magien.

Metamaterialer giver den helt reelle mulighed for, at vores mest langsomme fantasier en dag kan blive virkelige som sten. Fra usynlige kapper og perfekte linser til uhyre kraftfulde batterier, deres superkraft-applikationer pirrer fantasien. Det sagt, hidtil har "tantalize" været det operative ord, selvom forskere har studeret metamaterialer i mere end 15 år.

"Der er ikke udviklet mange rigtige metamaterialer, "siger Elena Semouchkina, en lektor i elektroteknik ved Michigan Technological University. Soldater kan ikke kaste usynlige kapper over deres skuldre for at undgå snigskytterild, og ingen perfekt linse -app lader dig se vira med din smartphone. Delvis, det er fordi traditionelt, forskere forenkler alt for meget, hvordan metamaterialer rent faktisk fungerer. Semouchkina siger, at deres komplikationer ofte er blevet ignoreret.

Så hun og hendes team gik i gang med at undersøge disse komplikationer og opdagede, at metamaterialernes magi er drevet af mere end bare en fysikmekanisme. Et papir, der beskriver deres forskning, blev for nylig offentliggjort online af Journal of Physics D:Anvendt fysik .

Enkel!

Metamaterialer kan virke komplekse og futuristiske, men det modsatte er tættere på sandheden, siger Semouchkina. Metamaterialer ("meta" er det græske ord for "hinsides") er konstruerede materialer, der har egenskaber, der ikke findes i naturen. De er typisk bygget af flere identiske elementer fremstillet af konventionelle materialer, såsom metaller eller ikke -ledende materialer. Tænk på en Rubiks terning lavet af millioner af enheder mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår.

Disse designermaterialer fungerer ved at bøje elektromagnetisk strålings veje-fra radiobølger til synligt lys til højenergi gammastråler-på nye og forskellige måder. Hvordan metamaterialer bøjer disse veje - en proces kaldet brydning - driver deres særegne anvendelser. For eksempel, en metamaterialet usynlighedskappe ville bøje lysbølgernes stier rundt om et tilsluttet objekt, fremskynde dem på deres vej, og genforen dem på den anden side. Dermed, en tilskuer kunne se, hvad der var bag objektet, mens selve objektet ville være usynligt.

Den konventionelle tilgang blandt metamaterialeforskere har været at relatere et metamaterials brydningsegenskaber til resonans. Hver lille byggesten i metamaterialet vibrerer som en stemmegaffel, når den elektromagnetiske stråling passerer igennem, forårsager den ønskede type brydning.

Men ikke så enkelt. . .

Semouchkina spekulerede på, om der kunne være yderligere faktorer involveret i at bøje bølgernes stier.

"Metamaterialer virker enkle, men deres fysik er mere kompliceret, " hun siger, forklarer, at hun og hendes team fokuserede på dielektriske metamaterialer, som er bygget af elementer, der ikke leder elektricitet.

Teamet kørte adskillige computersimuleringer og gjorde en overraskende opdagelse:det var formen og gentagne organisering af byggestenene i metamaterialet - deres periodicitet - der påvirkede brydningen. Resonans syntes at have lidt eller intet at gøre med det.

Metamaterialerne, de undersøgte, havde egenskaber ved en anden type kunstigt materiale, fotoniske krystaller. Ligesom metamaterialer, fotoniske krystaller er lavet af mange identiske celler. Ud over, de opfører sig som de halvledere, der bruges i elektronik, bortset fra at de sender fotoner i stedet for elektroner.

"Vi fandt ud af, at de egenskaber, der følger med at være en fotonisk krystal, kan maskere metamaterialers resonans, til det punkt, de kan forårsage usædvanlig brydning - herunder negativ brydning, som er nødvendig for udviklingen af ​​et perfekt objektiv, "Siger Semouchkina.

Tilbage til det basale

Så hvad betyder dette for forskerne og ingeniørerne, der designer morgendagens supermaterialer?

"I bund og grund, vi er nødt til at erkende, at nogle af disse strukturer kan udvise egenskaber ved fotoniske krystaller, og vi skal tage hensyn til deres fysik, "Semouchkina siger." Det er et felt i udvikling, og det er meget mere kompliceret, end vi har givet det æren for. "

Semouchkinas team arbejder på at udvikle usynlighedskapper ved hjælp af fotoniske krystaller, men hun understreger, at metamaterialeforskning kan have andre virkelige anvendelser. Et af hendes projekter fokuserer på at bruge metamaterialekoncepter til at forbedre følsomheden af ​​magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), hvilket kunne føre til bedre medicinsk diagnostik og fremskridt inden for biologisk forskning.

"Dette er et meget praktisk resultat, sammenlignet med Harry Potter -tingene, " hun siger.

At forstå metamaterialers underliggende fysik vil fremskynde udviklingen af ​​sådanne enheder.