메타물질

구리 스플릿링 공진기와 파이버 글라스 회로 기판의 인터록 시트에 장착된 와이어로 구성된 음지수 메타물질 어레이 구성.전체 배열은 10 mm × 100 mm × 100 mm (0.39 인치 × 3.94 인치 × 3.94 인치 × 3.94 인치)^[1]^[2]의 전체 치수를 가진 3×20 × 20 단위 셀로 구성됩니다.

메타물질(metamaterial)은 자연발생 ^[3]물질에서 발견되지 않는 성질을 가지도록 설계된 물질로, "물질" 또는 "물질"을 의미한다.금속과 플라스틱과 같은 복합 재료로 만들어진 여러 요소의 조립체로 만들어집니다.재료는 보통 반복 패턴으로 배열되며, 영향을 미치는 현상의 파장보다 작은 척도로 배열됩니다.메타물질은 기본물질의 특성이 아니라 새롭게 설계된 구조에서 특성을 도출합니다.정확한 형태, 기하학, 크기, 방향 및 배열은 전자파를 조작할 수 있는 스마트한 특성을 제공합니다. 즉, 기존 재료에서 가능한 것 이상의 이점을 얻기 위해 차단, 흡수, 강화 또는 굽힘을 사용합니다.

적절하게 설계된 메타물질은 벌크물질에서 ^[4]^[5]^[6]관찰되지 않는 방식으로 전자파 복사 또는 음파에 영향을 미칠 수 있다.특정 파장에 대해 음의 굴절률을 보이는 것들은 많은 양의 ^[7]^[8]^[9]연구의 초점이 되어 왔다.이러한 물질을 음지수 메타물질이라고 합니다.

메타물질의 잠재적 적용 분야는 광학 필터, 의료 기기, 원격 항공우주 애플리케이션, 센서 감지 및 인프라 모니터링, 스마트 태양광 발전 관리, 군중 제어, 레이돔, 고이득 안테나용 고주파 전장 통신 및 렌즈, 초음파 센서 개선, 심지어 쉬이 등 다양합니다.지진에 ^[10]^[11]^[12]^[13]의한 구조물을 lding 한다.메타소재는 슈퍼렌즈를 ^[14]만들 수 있는 가능성을 제공한다.이러한 렌즈는 숫자 개구부 NA를 가지며 조명 파장을 갖는 기존 렌즈에 의해 얻을 수 있는 최소 해상도 d=d412/(2NA) 이하의 회절 한계로 이미징을 가능하게 한다. 광기록 매체와 통합 시 서브 파장 광학 메타 재료를 사용하여 보다 높은 광학적 데이터 밀도를 달성할 수 있다.n ^[15]회절에 의해 제한된다.구배 지수 재료를 사용하여 '불투명'의 형태를 입증했다.음향 및 지진 메타물질도 연구 ^[10]^[16]영역이다.

메타물질 연구는 학제간 연구로 전기공학, 전자기학, 고전광학, 고체물리학, 마이크로파 및 안테나공학, 광전자공학,^[5] 재료과학, 나노과학 및 반도체공학 등의 분야를 포함한다.

역사

전자파를 조작하기 위한 인공 재료의 탐사는 19세기 말에 시작되었다.메타물질로 여겨질 수 있는 몇몇 초기 구조들은 1898년에 키랄 성질을 가진 물질을 연구한 Jagadish Chandra Bose에 의해 연구되었다.칼 퍼디난드 린드만은 20세기 초에 인공 키랄 매체로서 금속 나선과의 파동 상호작용을 연구했다.

1940년대 후반에 윈스턴 E. AT&T 벨연구소의 콕은 메타물질과 유사한 특성을 가진 물질을 개발했다.1950년대와 1960년대에는 경량 마이크로파 안테나를 위해 인공 유전체가 연구되었다.마이크로파 레이더 흡수기는 1980년대와 1990년대에 인공 키랄 ^[5]^[17]^[18]매체의 응용 분야로 연구되었다.

음의 지수 재료는 ^[19]1967년 빅터 베셀라고에 의해 이론적으로 처음 기술되었다.그는 그러한 물질들이 빛을 투과할 수 있다는 것을 증명했다.그는 위상 속도가 포인팅 벡터의 방향에 반평행으로 만들어질 수 있다는 것을 보여주었다.이것은 자연 발생 ^[9]물질에서의 파동 전파와는 반대입니다.

1995년, 존 M.게라는 50nm 라인과 공간을 가진 서브파장 투명 격자(나중에 포토닉 메타물질로 불림)를 만든 후 표준 오일 침지 현미경 목표(나중에 슈퍼 렌즈로 불림)와 결합하여 50nm 라인과 공간을 가진 실리콘 웨이퍼에서 격자 모양을 분해했습니다.이 초해상도 이미지는 공기 중 ^[14]650nm의 파장을 가진 조명으로 구현되었습니다.

2000년, 존 펜드리는 오른손 법칙을 따르지 ^[19]않는 재료인 왼손 메타물질을 만드는 실용적인 방법을 최초로 발견했다.이러한 물질은 전자파가 위상 속도에 대해 에너지를 전달할 수 있도록 합니다(군 속도를 가집니다).Pendry의 생각은 파동의 방향을 따라 정렬된 금속 와이어가 음의 유전율을 제공할 수 있다는 것이었다(유전체 함수 δ < 0).천연 물질(강유전체 등)은 음의 유전율을 나타내며, 과제는 음의 투과율( < < 0)을 달성하는 것이었다.1999년 Pendry는 파동 전파 방향을 따라 축을 배치한 분할 링(C자형)이 그렇게 할 수 있다는 것을 입증했다.같은 논문에서, 그는 와이어와 링의 주기적인 배열이 음의 굴절률을 일으킬 수 있다는 것을 보여주었다.Pendry는 또한 관련된 네거티브 투과성 디자인인 스위스 롤을 제안했다.

2000년에 데이비드 R. Smith 등은 주기적으로 분할 링 공진기와 얇은 와이어 구조를 수평으로 적층하여 기능하는 전자파 메타물질의 실험 시연 결과를 보고했다.2002년 마이크로스트립 기술에서 음지수 메타물질을 인공응집소자 부하전송로를 이용하여 실현하는 방법이 제공되었다.2003년에는 복잡한(실제 부분과 상상의 부분 모두) 부굴절률과^[20] 왼손 메타물질을 이용한 평면 렌즈에^[21] 의한 영상이 입증되었다.2007년까지 음의 굴절률을 수반하는 실험이 많은 ^[4]^[13]그룹에 의해 수행되었다.마이크로파 주파수의 경우,^[22]^[23]^[24]^[25]^[26] 2006년에 최초의 불완전한 투명 망토가 실현되었습니다.

전자기 메타물질

전자기 메타물질은 파장보다 작은 구조적인 특징에 영향을 미치거나 상호작용하는 전자파에 영향을 미친다.유효 굴절률에 의해 정확하게 기술된 균질 물질로 동작하기 위해서는 그 특징이 ^{[citation needed]}파장보다 훨씬 작아야 한다.

마이크로파 방사선의 경우 특징은 밀리미터입니다.마이크로파 주파수 메타물질은 일반적으로 적절한 유도 및 용량 특성을 가진 전기 전도성 요소(예: 와이어 루프)의 배열로 구성됩니다.많은 마이크로파 메타물질은 분할링 공진기를 사용합니다.^[6]^[7]

포토닉 메타물질은 나노미터 스케일로 구조되어 광주파수에서 빛을 조작한다.회절 격자, 유전체 거울 및 광학 코팅과 같은 광결정 및 주파수 선택 표면은 서브파장 구조 메타물질과 유사성을 보인다.그러나 이러한 재료는 기능이 회절이나 간섭에서 발생하므로 일반적으로 메타물질과 구별되는 것으로 간주되며, 따라서 균질 ^{[citation needed]}물질로 근사할 수 없다.그러나 가시광선 스펙트럼에서는 포토닉 결정 등의 재료 구조가 효과적이다.가시 스펙트럼의 중간 파장은 약 560 nm(햇빛의 경우)입니다.포토닉 결정 구조는 일반적으로 이 크기의 절반 이하인 280 ^{[citation needed]}nm 미만입니다.

플라스몬 메타물질은 금속의 표면에서 광학 주파수로 집단으로 진동하는 전하 패킷인 표면 플라스몬을 이용한다.

주파수 선택 표면(FSS)은 서브파장 특성을 나타낼 수 있으며 인공 자기 도체(AMC) 또는 고임피던스 표면(HIS)으로 다양하게 알려져 있습니다.금감원은 서브파장 ^[27]구조와 직접 관련된 유도성 및 용량성 특성을 보여준다.

전자파 메타물질은 다음과 ^[4]^[19]^[5]^[28]같이 여러 등급으로 나눌 수 있다.

음굴절률

왼손 메타물질의 굴절과 일반물질의 굴절 비교

음지수 메타물질(NIM)은 음의 굴절률로 특징지어진다.NIM의 다른 용어로는 '왼손잡이 미디어', '부굴절률의 미디어', '후진파 미디어'^[4] 등이 있습니다.음의 유전율과 음의 투과율이 동시에 발생하는 NIM은 이중 음의 메타물질 또는 이중 음의 물질(DNG)^[19]이라고도 합니다.

실제 유전율 및 투과성으로 근사한 물질을 가정할 때 유전율 $\epsilon _{r}$ r \ $displaystyle \ ipsilon$ _ { $r$ $\mu _{r}$ $\mu _{r}$ r \ $mu$ _ { $r}$ 및 $\mu _{r}$ 굴절률 n의 관계는 n $\scriptstyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{\mathrm {r} }\mu _{\mathrm {r} }}}$ ± $\scriptstyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{\mathrm {r} }\mu _{\mathrm {r} }}}$ $\scriptstyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{\mathrm {r} }\mu _{\mathrm {r} }}}$ r \ $scriptstyle$ n $= pm$ { $rt sylon$ _ ${r$ } {r }로 $\scriptstyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{\mathrm {r} }\mu _{\mathrm {r} }}}$ . $m {r}\mu$ _ ${\mathrm {r$ 기존의 비물질 투명재료(유리, 물, ...)는 모두 양의 $\epsilon _{r}$ r { $displaystyle \epsilon$ _{ $r$ $}$ $\mu _{r}$ $\mu _{r}$ r { $displaystyle \mu$ _{ $r$ 를 가진다.규약에 따라 양의 제곱근은 n에 사용된다.단, 일부 가공 메타물질은 $\epsilon _{r}$ \ $epsilon _{r$ } $\mu _{r}<0$ < $\mu _{r}<0$ 0 \ $displaystyle$ \ $mu _{r}$ <0 $\mu _{r}<0$ 을(를) 가지고 있습니다.제품 $\$ _ ${r}\mu$ _ ${r}$ 은 $\epsilon _{r}\mu _{r}$ 양의 값이기 때문에 n은 실재합니다.이러한 상황에서는 n에 대한 음의 제곱근을 구해야 합니다. $\$ $\mu _{r}$ $\$ 가 $\mu _{r}$ 모두 양의(음)일 경우 파동은 전방(후방) 방향으로 이동합니다.굴절률이 상상이 되므로 반대쪽 $\epsilon _{r}$ 의 $\$ $\mu _{r}$ $\$ 인 $\mu _{r}$ 물질에서는 전자파가 전파되지 않는다.이러한 재료는 전자파 방사에는 불투명하며 금속(금, 은, ...)과 같은 플라스몬 소재가 이에 해당된다.

균일한 평면 인터페이스에서의 빛의 마이너스 굴절을 나타내는 비디오.

위의 고려사항은 실제 재료에 대해 단순하며, 복소수 값 $\epsilon _{r}$ r \ $displaystyle$ \ $epsilon$ _ { $r}$ $\mu _{r}$ $\mu _{r}$ r \ $displaystyle$ \ $mu$ _ { $r$ 이어야 합니다.passive material이 부굴절을 ^[29]^[30]나타내기 위해 $\$ $mu_$ { $r}$ 및 $\epsilon _{r}$ $\$ mu_ ${r}$ 의 $\mu _{r}$ 실제 부분은 모두 부굴절이 될 필요는 없습니다.실제로 키랄리티에서 ^[31]^[32]원편파의 부굴절률도 발생할 수 있다.음수 n을 갖는 메타물질은 다음과 같은 여러 가지 흥미로운 ^[5]^[33]특성을 갖는다.

스넬의 법칙(nsinθ₁₁ = nsin₂₂))은 여전히 굴절을 설명하지만, n이 음수이므로 입사선과₂ 굴절선은 양수 및 음수 지수 물질의 계면에서 수직 표면과 같은 쪽에 있다.
체렌코프 방사선이 반대 ^{[further explanation needed]}방향을 가리키고 있어
시간 평균 포인팅 벡터는 위상 속도에 역평행합니다.단, 파동(에너지)이 전파되려면 k c $kc=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}$ $kc=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}$ μ $kc=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}$ { $displaystyle$ $kc=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}$ = \ obmega {\ $displaystyle$ kc } } $kc=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}$ } 에서의 파동수 의존성을 만족시키기 위해 –displaystyle kc = \silon $}$ } $kc=\omega {\sqrt {\mu \epsilon }}$ a a however however however however however however however however however however however however however however however

음의 굴절률은 삼중항 E, H, ^[5]k라는 벡터로부터 수학적으로 도출된다.

전자기 메타물질로 전파되는 평면파의 경우 전계, 자기장 및 파동 벡터는 기존 광학물질의 거동과 반대되는 왼쪽 법칙을 따른다.

현재까지 메타물질만이 음의 ^[4]^[33]^[34]굴절률을 보인다.

싱글 네거티브

싱글 네거티브(SNG) 메타물질은 음의 상대 유전율(θr) 또는 음의 상대 투과율(θr) 중 하나를 가지지만 둘 ^[19]다 가질 수는 없다.상보적인 다른 SNG와 결합하면 메타물질로 작용하며, DNG로 함께 작용한다.

Epsilon Negative Media(ENG; 네거티브미디어)는 음의 µr을 나타내며 µr은 ^[4]^[33]^[19]양입니다.많은 플라즈마들이 이런 특징을 보인다.예를 들어, 금이나 은과 같은 귀금속은 적외선과 가시 스펙트럼에서 ENG입니다.

Mu-negative media(MNG)는 양의 µr과 음의 ^[4]^[33]^[19]µr을 표시합니다.자이로트로픽 또는 자이로매틱 재료는 이러한 특성을 보인다.회전성 재료는 준정적 자기장의 존재에 의해 변화된 것으로, 자기 ^{[citation needed]}광학 효과를 가능하게 한다.자기광학 효과는 이러한 매체를 통해 전자파가 전파되는 현상이다.이러한 재료에서는 좌우 회전 타원 편광은 다른 속도로 전파될 수 있다.빛이 자기 광학 물질의 층을 통해 전달될 때, 그 결과는 패러데이 효과라고 불립니다: 편광 평면을 회전시켜 패러데이 회전자를 형성할 수 있습니다.이러한 반사의 결과는 자기 광학 커 효과로 알려져 있다(비선형 커 효과와 혼동하지 말 것).두 개의 주요 편광의 회전 방향이 반대인 두 개의 회전 방향 재료를 광학 이성질체라고 합니다.

ENG 재료의 슬래브와 MNG 재료의 슬래브를 결합하면 공명, 비정상적인 터널링, 투명도 및 제로 반사 등의 특성이 발생한다.음지수 재료와 마찬가지로 SNG는 본질적으로 분산되기 때문에 그 δr, δr 및 굴절률 n은 ^[33]주파수의 함수이다.

쌍곡선

쌍곡선 메타물질(HM)은 특정 편광 또는 빛의 전파 방향에 대한 금속으로 작용하고 음의 유전율 텐서 성분과 양의 유전율 텐서 성분으로 인해 다른 편광에 대한 유전체로 작용하여 극단적인 이방성을 제공합니다.파장 벡터 공간에서의 물질의 분산 관계는 쌍곡선을 형성하고 따라서 쌍곡선 메타물질이라고 불립니다.HMM의 극단적인 이방성은 표면 ^[35]내부 및 표면상의 빛의 방향 전파로 이어집니다.HMM은 감지, 반사 변조기,^[36] 이미징, 광학 신호의 조향, 향상된 플라스몬 공명 ^[37]효과 등 다양한 잠재적 응용 분야를 보여 왔습니다.

밴드갭

전자 밴드갭 메타물질(EBG 또는 EBM)은 빛의 전파를 제어합니다.이것은 포토닉 크리스털(PC) 또는 왼손잡이용 재료(LHM)를 사용해 실현됩니다.PC는 빛의 전파를 완전히 금지할 수 있습니다.두 클래스 모두 특정 설계 방향으로 빛을 전파할 수 있으며 두 클래스 모두 원하는 ^[38]^[39]주파수의 밴드갭을 사용하여 설계할 수 있습니다.EBG의 주기 크기는 파장의 현저한 부분이며, 건설적이고 파괴적인 간섭을 일으킵니다.

PC는 밴드갭 특성에서 특성을 도출하기 때문에 조정 가능한 메타물질과 같은 서브파장 구조와 구별됩니다.PC는 서브파장 구조를 드러내는 다른 메타물질에 비해 빛의 파장과 일치하도록 크기가 조정됩니다.또, PC는 빛을 회절하는 것으로 기능합니다.반면 메타물질은 ^[40]회절을 사용하지 않는다.

PC에는 산란으로부터의 파괴적인 간섭으로 인해 파동 전파를 억제하는 주기적인 인크루먼트가 있습니다.PC의 광전자 밴드갭 특성은 PC를 전자 반도체 ^[41]결정의 전자기 유사체로 만듭니다.

EBG는 고품질, 저손실, 주기적인 유전체 구조를 만드는 것을 목표로 하고 있습니다.EBG는 반도체 물질이 전자에 영향을 미치는 것과 같은 방식으로 광자에 영향을 미칩니다.PC는 빛의 ^[42]전파를 허용하지 않기 때문에 완벽한 밴드갭 소재입니다.소정의 주기적 구조의 각 단위는 훨씬 ^[4]^[42]큰 크기이지만 하나의 원자처럼 작용한다.

EBG는 특정 도달각 및 편광에 대해 할당된 주파수 대역폭의 전파를 방지하도록 설계되어 있습니다.EBG의 특수 특성을 만들기 위해 다양한 기하학적 구조와 구조가 제안되었습니다.실제로는 완벽한 EBG ^[4]^[5]디바이스를 구축하는 것은 불가능합니다.

EBG는 수 기가헤르츠(GHz)에서 수 테라헤르츠(THz), 무선, 마이크로파 및 중적외선 주파수 영역용으로 제조되었습니다.EBG 응용 프로그램 개발에는 전송선, 사각 유전체 막대로 만들어진 우드파일 및 여러 가지 다른 유형의 저이득 ^[4]^[5]안테나가 포함됩니다.

이중양성배지

자연발생 유전체와 같은 자연상태에서 이중양성배지(DPS)가 발생합니다.유전율과 자기 투과율은 모두 양이고 파장은 전진 방향으로 전파됩니다.DPS,^[4]^[19] ENG 및 MNG 특성을 결합한 인공 재료가 제작되었습니다.

이등방성 및 이등방성

메타물질을 이중 또는 단일 음성 또는 이중 양성으로 분류하는 것은 일반적으로 메타물질이 β와 β에 의해 기술된 독립적인 전기 및 자기 반응을 갖는 것으로 가정한다.하지만, 많은 경우에, 자기장은 자기 편광을 일으키는 반면, 자기장은 자기 전기 결합으로 알려진 전기 편광을 유도합니다.이러한 매체는 바이 아이소트로픽으로 표시된다.자기 전기 결합을 나타내는 매체와 이방성(많은 메타물질 구조의^[43] 경우)인 매체를 ^[44]^[45]바이 이방성이라고 한다.

바이등방성 매체의 자기전기 결합에는 4가지 재료 파라미터가 고유합니다.전기(E) 및 자기(H) 전계 강도 및 전기(D) 및 자기(B) 플럭스 밀도입니다.이들 파라미터는 각각 ,, ,, or 또는 유전율, 투과율, 키랄리티 강도, Tellegen 파라미터입니다.이 유형의 매체에서 재료 매개변수는 회전 좌표계를 따라 변경되어도 변경되지 않습니다.이런 의미에서 그들은 불변 또는 스칼라이다.^[5]

고유 자기전기 파라미터인 θ와 θ는 파형의 위상에 영향을 미칩니다.키랄리티 매개변수의 효과는 굴절률을 분할하는 것입니다.등방성 매체에서는 and과 have의 부호가 같은 경우에만 파장이 전파됩니다.θ가 제로로 간주되고 θ가 제로가 아닌 값을 갖는 바이등방성 매체에서는 다른 결과가 나타난다.후방파 또는 전방파 중 하나가 발생할 수 있습니다.또는 키랄리티 파라미터의 강도에 따라 2개의 전진파 또는 2개의 후진파가 발생할 수 있습니다.

일반적인 경우, 바이 이방성 재료의 구성관계는 D $\mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E} +\xi \mathbf {H} ,$ $\mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E} +\xi \mathbf {H} ,$ E + $\mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E} +\xi \mathbf {H} ,$ H $\mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E} +\xi \mathbf {H} ,$ , \ $displaystyle \mathbf {D}$ = \ $ilon \mathbf {E}$ + \ $xi \mathbf {H}$ , $\mathbf {D} =\epsilon \mathbf {E} +\xi \mathbf {H} ,$ $\mathbf {B} =\zeta \mathbf {E} +\mu \mathbf {H} ,$ $\mathbf {B} =\zeta \mathbf {E} +\mu \mathbf {H} ,$ = $\mathbf {B} =\zeta \mathbf {E} +\mu \mathbf {H} ,$ + $\mathbf {B} =\zeta \mathbf {E} +\mu \mathbf {H} ,$ , \ $style \mathbf {B}$ 로 표시된다. $\mu$ ②는 $\mu$ 유전율 텐서, $②(\displaystyle$ \xi $)$ 는 $\xi$ $\zeta$ 투과성 텐서, $③(\displaystyle$ \zeta $)$ 는 2개의 자기전기 텐서이다 $.$ 매질이 상호일 경우 유전율 및 투과성은 대칭 텐서이며, $\kappa$ $\xi =-\zeta ^{T}=-i\kappa ^{T}$ - $\xi =-\zeta ^{T}=-i\kappa ^{T}$ T $\xi =-\zeta ^{T}=-i\kappa ^{T}$ - $\xi =-\zeta ^{T}=-i\kappa ^{T}$ T $†$ T { T } = - \ $zeta$ ^ { T } $（$ \ $display$ $\xi =-\zeta ^{T}=-i\kappa ^{T}$ style \ $xi$ = - \ $kappa$ ^ { $T$ （ \ display style \ $kappa$ ） $\kappa$ ） where $\kappa$ iral iral iral iral iral iral iral iral omagnetic iral omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic omagnetic키랄 텐서는 $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$ $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$ $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$ $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$ tr $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$ ( $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$ ) $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$ + $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$ + $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$ ( \ $displaystyle$ \ $kappa$ = $tfrac$ { $}$ { $tr } \operatorname$ { $tr$ } ( \ $kappa$ ) I + N + J $\kappa ={\tfrac {1}{3}}\operatorname {tr} (\kappa )I+N+J$ 로 나타낼 수 있습니다. $\operatorname {tr} (\kappa )$ 서 tr $\operatorname {tr} (\kappa )$ ( $\operatorname {tr} (\kappa )$ \ $displaystyle$ \ $trac$ { trac { tr } ) $\operatorname {tr} (\kappa )$ trac { trac { $tr$ }는 trapa $}$ 입니다 $\operatorname {tr} (\kappa )$ .n대칭 텐서.이러한 분해를 통해 역방향 비안방성 응답을 분류할 수 있으며, ( $\operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0$ ) 키랄 미디어( $\operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0$ $($ ( $\operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0$ ) $\operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0$ $\operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0$ , $,$ $\operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0$ , $\operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0$ $=$ 0 ( \ $displaystyle$ \ $operatorname$ {tr } ( \ $kappa$ ) \ $neq 0$ , J $=$ 0 $\operatorname {tr} (\kappa )\neq 0,N\neq 0,J=0$ （ $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N\neq 0,J=0$ \ $neq$ 0 , J ） , $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N\neq 0,J=0$ $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N\neq 0,J=0$ tr ）。 ${tr}(\kappa)=0,$ N $\$ $neq$ $0, J=0}),$ $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N=0,J\neq 0$ (iii) 오메가 미디어( $tr$ ( ( $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N=0,J\neq 0$ ) $0$ , $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N=0,J\neq 0$ $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N=0,J\neq 0$ , $\operatorname {tr} (\kappa )=0,N=0,J\neq 0$ $=$ 0 , N = $0$ , N $0$ 0 ( \ $kappa$ ) ）。

키랄

메타물질의 핸드니스(handsness)는 메타물질 문헌이 왼손잡이와 오른손잡이의 상반된 용어의 두 가지 사용을 포함하기 때문에 잠재적인 혼란의 원천이다.첫 번째는 키랄 매체의 전파 모드인 두 개의 원형 편파 중 하나를 가리킵니다.두 번째는 대부분의 경우 키랄이 아닌 음의 굴절률 매체에서 발생하는 전기장, 자기장 및 포인팅 벡터의 삼중항과 관련이 있다.

일반적으로 키랄 및/또는 비앙키랄성 전자응답은 3D 기하학적 키랄성의 결과이다. 3D 키랄성 메타물질은 3D 키랄성 구조를 숙주 매체에 내장하여 구성되며 광학활성 및 원형 이색성 등의 키랄성 관련 편파 효과를 나타낸다.2D 키랄리티의 개념도 존재하며 평면 물체를 들어 올리지 않으면 거울상 위에 겹쳐지지 않으면 키랄이라고 한다. 이방성이고 손실성이 있는 2D 키랄 메타물질은 t로 인해 원편파의 방향성 비대칭 전달(반사, 흡수)을 보이는 것으로 관찰되었다.o 원형 변환 디크로심.^[46]^[47]한편, 2D 및 3D 고유 키랄리티를 가지지 않는 기하학적 아키랄 구조에서 비안 이방성 반응이 발생할 수 있다.플럼과 동료들, 크고tuneable 선형 광학 activity,[48]비선형 광학 activity,[49]반영하는 광학 activity[50] convers 것이(아키랄)구조체의 방사파 벡터로 배치는 그것의 거울 이미지와 다르다 외인성 분자 비대칭성 때문에 광 전자기 연결 조사했다.이온 dichroism.^[51] Rizza ^[52]et al.은 시스템이 기하학적으로 1차원 키랄일 경우 유효 키랄 텐서가 사라지지 않는 1D 키랄 메타물질을 제안했다(전체 구조의 거울 이미지는 회전하지 않고 변환을 사용하여 위에 중첩될 수 없음).

3D-키랄 메타물질은 키랄성 물질 또는 유효 키랄성 매개변수 $\displaystyle\kappa}$ 가 $\kappa$ 0이 아닌 공진기로 구성됩니다.이러한 키랄 메타물질의 파동 전파 특성은 강한 키랄성과 양의 $\epsilon _{r}$ r {\ $displaystyle \epsilon$ _ ${r}$ $\mu _{r}$ $\mu _{r}$ r {\ $displaystyle \mu$ _ ${r$ ^[53]인 메타물질에서 음의 굴절이 실현될 수 있음을 보여준다.^[54] 이는 $굴절률$ n(\ $style$ n $)$ 의 $n$ 좌우 원편파 값이 다음과 같이 구분되기 때문입니다.

$\displaystyle n=\pm {silon _{r}\mu _{r}}\pm \kappa }$

만약 κ{\displaystyle \kappa}을은 부정적인 지수 한 양극화에 대해 발생할 것이다; 볼 수 있ϵ rμ r(_{r}}}}. 이 경우, 그것은 필요하지 않은 또는 둘 다ϵ r{\displaystyle \epsilon_{r}}과μ r{\displaystyle \mu_{r}} 부정적인 것에 대해 김혜진입니다.약탈병동파 ^[5]전파키랄리티로 인한 음의 굴절률은 2009년 플럼 외 ^[31]연구진과 장 ^[32]외 연구진에 의해 동시에 독립적으로 처음 관찰되었다.

금감원 기준

주파수 선택 표면 기반 메타물질은 하나의 주파수 대역에서 신호를 차단하고 다른 주파수 대역에서 신호를 통과시킨다.그것들은 고정 주파수 메타물질의 대안이 되었다.고정 주파수 ^[55]응답의 제한적인 제한 대신 단일 매체에서 주파수를 선택적으로 변경할 수 있습니다.

기타 타입

탄성

이들 메타물질은 전자기적이지 않은 물질에서 음의 굴절률을 달성하기 위해 서로 다른 매개변수를 사용한다.또한 "제한된 주파수 범위에서 액체 또는 고체로 작동할 수 있는 탄성 메타물질의 새로운 설계는 음향,^[56] 탄성 및 지진파의 제어를 기반으로 새로운 응용을 가능하게 할 수 있다."그것들은 또한 기계 ^{[citation needed]}메타물질이라고 불린다.

음향

음향 메타물질은 기체, 액체 및 고체에서 음파, 초음파 또는 초음파의 형태로 소리를 제어, 유도 및 조작합니다.전자파와 마찬가지로 음파도 음의 ^[16]굴절을 나타낼 수 있습니다.

음파의 제어는 대부분 벌크 모듈러스β, 질량밀도θ 및 키랄리티에 의해 이루어진다.벌크 계수 및 밀도는 전자기 메타물질의 유전율과 투과성의 유사체이다.이와 관련된 것이 격자 구조에서의 음파 전파 메커니즘이다.또한 재료는 질량과 고유 강성의 정도를 가지고 있습니다.이 두 가지가 함께 공명 시스템을 형성하고 적절한 음파 주파수(예: 가청 펄스)에 의해 기계적(음속) 공명을 들뜨게 할 수 있습니다.

구조

구조 메타 재료는 파쇄성 및 가벼운 무게와 같은 특성을 제공합니다.투사 마이크로 스테레오그래피를 사용하여 트러스나 거더와 같은 형태를 사용하여 마이크로 래티스를 만들 수 있습니다.재료는 기존 에어로겔보다 4계단 더 견고하지만 동일한 밀도로 제작되었습니다.이러한 재료는 ^[57]^[58]재료를 과도하게 구속함으로써 최소 16만 배의 하중을 견딜 수 있습니다.

세라믹 나노트러스 메타물질을 평탄화시켜 원상태로 ^[59]되돌릴 수 있다.

온도

일반적으로 자연에서 발견되는 물질은 균질할 때 열등방성을 띤다.즉, 열은 모든 방향으로 거의 같은 속도로 그들을 통과합니다.그러나 열 메타물질은 일반적으로 매우 조직화된 내부 구조 때문에 이방성입니다.예를 들어 탄소나노튜브(CNT)와 같은 고도로 정렬된 내부 입자 또는 구조를 가진 복합 재료가 그 예입니다.

비선형

메타물질은 입사파의 힘에 따라 특성이 변화하는 비선형 매체를 포함하는 것으로 제작될 수 있다.비선형 매체는 비선형 광학에 필수적입니다.대부분의 광학 재료는 상대적으로 반응이 약하며, 이는 전자기장의 강도에 큰 변화가 있을 때 그 특성이 아주 작은 양만 변한다는 것을 의미한다.비선형 메타물질의 포함물의 국소 전자장은 필드의 평균값보다 훨씬 클 수 있다.또 메타물질 유효유전율(epsilon-near-zero 매체)^[60]^[61]^[62]이 매우 작을 경우 주목할 만한 비선형 효과가 예측되고 관찰된다.또한 음의 굴절률과 같은 이국적인 특성은 비선형 광학 구조에서 만족해야 하는 위상 일치 조건을 맞춤화할 수 있는 기회를 만듭니다.

홀 메타물질

2009년, Marc Briane과 Graeme^[63] Milton은 양수 또는 음수 기호 Hall 계수 재료만으로 만들어진 3가지 재료 기반 복합 재료의 부호를 원칙적으로 반전시킬 수 있다는 것을 수학적으로 증명했습니다.이후 2015년 Muamer Kadic ^[64]등은 등방성 물질의 단순한 천공으로 홀 계수의 부호 변화로 이어질 수 있음을 보여주었다.이 이론적 주장은 마침내 크리스티안 컨 외 ^[65]연구진에 의해 실험적으로 입증되었다.

2015년 Christian Kern 등에 의해 단일 재료의 이방성 천공이 평행 ^[66]홀 효과라는 더 특이한 효과로 이어질 수 있다는 것이 입증되었다.즉, 전도 매체 내부의 유도 전계가 더 이상 전류 및 자기장과 직교하지 않고 실제로는 최신과 평행하다는 것을 의미합니다.

주파수 대역

테라헤르츠

테라헤르츠 메타물질은 테라헤르츠 주파수에서 상호작용하며, 일반적으로 0.1~10THz로 정의된다.테라헤르츠 방사선은 적외선 대역의 맨 끝, 마이크로파 대역의 끝 직후에 있습니다.이는 3mm(EHF 대역)에서 0.03mm(원적외선 장파장 에지) 사이의 밀리미터 및 서브밀리미터 파장에 해당합니다.

포토닉

광전자 메타물질은 광학 주파수(중적외선)와 상호작용한다.서브파장 주기는 이들을 포토닉 밴드 갭 ^[67]^[68]구조와 구별한다.

조정 가능

조정 가능한 메타 재료는 굴절률의 주파수 변화에 대한 임의 조정을 가능하게 합니다.조정 가능한 메타 재료는 다양한 종류의 메타 재료를 구성함으로써 왼손잡이 재료의 대역폭 제한을 넘어 확장된다.

플라스틱

플라스몬 메타물질은 금속-유전체와의 빛의 상호작용에서 생성되는 표면 플라스몬을 이용합니다.특정 조건에서 입사광은 표면 플라스몬과 결합하여 자급자족하고 전파하는 전자파 또는 표면 플라즈몬 폴라리톤으로 알려진^[69] 표면파를 생성합니다.벌크 플라즈마 진동은 음의 질량(밀도)^[70]^[71] 효과를 가능하게 합니다.

적용들

메타 재료는 많은 ^[72]응용 분야에서 고려되고 있다.메타물질 안테나는 시판되고 있습니다.

2007년에 한 연구자는 메타물질의 응용이 실현되려면 에너지 손실을 줄이고 재료를 3차원 등방성 물질로 확장하고 생산 기술을 ^[73]산업화해야 한다고 말했다.

안테나

메타물질 안테나는 성능 향상을 위해 ^[13]^[19]^[74]^[75]메타물질을 사용하는 안테나 클래스입니다.시연은 메타물질이 안테나의 복사 전력을 ^[13]^[76]향상시킬 수 있다는 것을 보여주었다.음의 투과율을 얻을 수 있는 재료는 작은 안테나 크기, 높은 지향성, 조정 가능한 ^[13]^[19]주파수 등의 특성을 허용합니다.메타 그리드 라인과 같은 단일 음성 메타 재료는 밀착 MIMO 안테나 어레이에서 상호 결합을 완화할 수 있습니다.

흡수체

메타물질 흡수체는 메타물질의 유전율 및 자기투과율의 손실성분을 조작하여 대량의 전자방사선을 흡수한다.이것은 광검출^[78]^[79] ^[80]및 태양광 발전에 유용한 기능입니다.손실 구성요소는 또한 음의 굴절률(광학 메타물질, 안테나 시스템) 또는 변환 광학(금속 물질 클로킹, 천체 역학)의 적용에도 관련이 있지만, 이러한 적용에는 종종 사용되지 않습니다.

슈퍼렌즈

슈퍼렌즈는 보통 음의 굴절 특성을 가진 메타물질을 사용하여 회절 한계 이상의 분해능(이상적으로는 무한 분해능)을 달성하는 2차원 또는 3차원 장치입니다.이러한 동작은 이중 음의 물질이 음의 위상 속도를 낼 수 있기 때문에 가능해진다.회절 한계는 기존의 광학 장치 또는 ^[81]^[82]렌즈에 내재되어 있습니다.

클로킹 장치

메타물질은 실용적인 클로킹 장치의 잠재적 기반이다.원칙의 증명은 2006년 10월 19일에 실증되었다.실용적인 망토는 공식적으로 ^[83]^[84]^[85]^[86]^[87]^[88]존재하지 않는다.

메타물질을 저감하는 RCS(Radar Cross Section)

일반적으로 RCS는 레이더 흡수 물질(RAM) 또는 산란된 에너지를 선원에서 다른 곳으로 유도할 수 있도록 목표물의 목적적 형성에 의해 감소되어 왔다.RAM의 주파수 대역 기능은 좁지만 목적 쉐이핑은 타깃의 공기역학적 성능을 제한합니다.보다 최근에, 메타물질이나 메타서페이스가 합성되어 배열^[89]^[90]^[91]^[92] 이론이나 일반화된 ^[93]^[94]스넬의 법칙을 이용하여 산란된 에너지를 소스로부터 멀리 떨어뜨릴 수 있다.이로 인해 RCS가 감소된 대상에게 공기역학적으로 유리한 형태가 되었다.

내진 기능

지진 메타물질은 인공 ^[10]^[95]^[96]구조물에 대한 지진파의 역효과를 상쇄한다.

사운드 필터링

나노 크기의 주름으로 질감 있는 메타물질은 물질의 색을 바꾸거나 초음파 분해능을 향상시키는 것과 같은 소리나 빛 신호를 제어할 수 있다.용도에는 비파괴 재료 테스트, 의료 진단 및 소음 억제 등이 포함됩니다.재료는 고정밀 다층 증착 공정을 통해 제조할 수 있습니다.각 층의 두께는 파장의 극히 일부 내에서 제어할 수 있습니다.그런 다음 재료를 압축하여 간격이 선택된 ^[97]^[98]주파수의 산란을 일으킬 수 있는 정확한 주름을 만듭니다.

유도 모드 조작

메타물질은 유도 전자파를 ^[99]맞춤화하기 위해 광도파로 통합될 수 있습니다.메타물질과 같은 서브파장 구조는 예를 들어 실리콘 도파관과 통합되어 빔 스플리터^[100] 및 광커플러를 ^[101]개발 및 편파할 수 있으며, 통합된 포토닉 ^[102]소자를 위한 나노 크기의 광전달을 제어하는 새로운 자유도를 추가할 수 있습니다.집적 모드 컨버터,^[103] 편광 멀티플렉서,^[104] 구조화된 광생성,^[105] 온칩 바이오^[106] 센서 등의 다른 응용 프로그램을 ^[99]개발할 수 있습니다.

이론 모델

모든 물질은 쌍극자인 원자로 이루어져 있다.이 쌍극자들은 광속도를 계수 n(굴절률)로 수정한다.분할 링 공진기에서 링과 와이어 유닛은 원자 쌍극자 역할을 합니다. 와이어는 강유전체 원자 역할을 하고 링은 인덕터 L 역할을 하며 개방 섹션은 캐패시터 C 역할을 합니다.링 전체가 LC 회선으로서 기능합니다.전자장이 링을 통과하면 유도 전류가 생성됩니다.생성된 필드는 빛의 자기장과 수직입니다.자기공명은 음의 투과율을 낳습니다.굴절률도 음의 값입니다.(구조물의 캐패시턴스가 전기유도에 대한 기울기를 가하기 때문에 렌즈는 정말로 평평하지 않습니다.)

DNG의 주파수 응답에는 몇 가지(수학적인) 소재 모델이 있습니다.그 중 하나가 로렌츠 모델인데, 이것은 전자 운동을 종동 감쇠 고조파 발진기의 관점에서 설명합니다.Debye 완화 모델은 로렌츠 수학 모델의 가속도 성분이 방정식의 다른 성분과 비교하여 작을 때 적용됩니다.드루드 모델은 복원력 성분이 무시할 수 있고 결합 계수가 일반적으로 플라즈마 주파수일 때 적용됩니다.다른 컴포넌트의 구별에서는 극성 또는 ^[4]목적에 따라 이들 모델 중 하나를 사용해야 합니다.

저유전율 매트릭스에 주기적/랜덤으로 내장된 금속/비금속 함유물의 3차원 복합물은 일반적으로 혼합식 및 산란 매트릭스 기반 방법을 포함한 분석 방법에 의해 모델링된다.입자는 전기장과 평행한 전기 쌍극자 또는 인가된 파형의 전기장과 자기장과 평행한 교차 전기 쌍극자 쌍으로 모델링됩니다.이러한 쌍극자는 다중극 급수의 선행 항입니다.균질 구면에는 Mie 산란 계수에서 편광성을 쉽게 구할 수 있는 유일한 균질 구면입니다.일반적으로 이 절차는 "점-다이폴 근사"로 알려져 있으며, 이는 전기적으로 작은 구의 복합체로 구성된 메타물질에 대한 좋은 근사치이다.이러한 방법의 장점은 낮은 계산 비용과 수학적 ^[107]^[108]단순성입니다.

메타물질 이론의 기초는 음지수 매체, 비반사 결정, 슈퍼렌즈 등 세 가지 개념이다.3배 주기 전자 매체를 분석하기 위한 다른 첫 번째 원칙 기법은 Computing Photonic band structure에서 찾을 수 있습니다.

기관 네트워크

뮤리

Multi-temporary University Research Initiative(MURI)는 수십 개의 대학과 몇 개의 정부 기관을 포함합니다.참여 대학은 UC 버클리, UC 로스앤젤레스, UC 샌디에이고, 매사추세츠 공과대학, 런던의 임페리얼 칼리지입니다.후원사는 해군연구소와 국방고등연구사업청이다.^[109]

MURI는 여러 기존 과학 및 엔지니어링 분야를 아우르는 연구를 지원하여 연구와 애플리케이션으로의 번역을 가속화합니다.2009년 현재, 69개의 ^[110]학술 기관이 41개의 연구에 참여할 것으로 예상되고 있다.

변성체

인공 전자 재료·메타 재료 가상 연구소 「Metamorphose VI AISBL」은, 인공 전자 재료·메타 재료를 촉진하는 국제 협회입니다.과학 컨퍼런스를 개최하고, 전문 저널을 지원하며, 연구 프로그램을 작성 및 관리하고, 트레이닝 프로그램(산업 파트너를 위한 PhD 및 트레이닝 프로그램 포함), 유럽 ^[111]^[112]산업으로의 기술 이전을 제공합니다.

「」를 참조해 주세요.

메타수르페이스
인공 유전체—1940년대와 1970년대 사이에 개발된 레이더 마이크로파 기술과 함께 사용된 자연 발생 유전체의 거시적 유사체.
METATOY(선용 물질)—프리즘과 렌즈의 작은 배열과 같은 초파장 구조로 구성되며 광범위한 주파수 대역에서 작동할 수 있습니다.
마그노닉스
메타물질(저널)
메타물질 핸드북
메타 재료:물리 및 엔지니어링 조사

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