С начала 2000-х годов метаматериалы стали новым направлением науки, охватывающим физику, материаловедение, машиностроение, оптику и Нано-Науку. Основная причина большого интереса к метаматериалам заключается в том, что метаматериалы реализовали широкий спектр исключительных свойств путем проектирования внутренних физических конструкций своих структурных элементов. Это существенно отличается от природных материалов, свойства которых определяются в первую очередь химическими компонентами и связующими свойствами.
Метаматериалы представляют собой периодически или случайно распределенные искусственные структуры с размерами и расстояниями, значительно меньшими, чем интересующая длина волны.
Благодаря глубокой субволновой характеристике микроскопическая деталь каждой отдельной структуры не может быть определена с помощью электромагнитных волн. Можно гомогенизировать сборку этих неоднородных элементов и присвоить эффективные свойства материала на макроскопическом уровне.
Важно отметить, что эффективные свойства материала в основном определяются размером, формой или структурой структурных элементов метаматериалов, а не свойствами составляющих материалов, которые используются для создания метаматериалов. Используя различные метаматериалы, исследователи смогли создать свойства материала с беспрецедентной степенью свободы и продемонстрировали чрезвычайно низкочастотные плазмоны, искусственный магнетизм, отрицательный показатель преломления, чрезвычайно большой показатель преломления и сильную хиральность.
Широкий спектр свойств материалов, предлагаемых метаматериалами, также способствует быстрому развитию оптики преобразования, которая позволяет управлять потоком электромагнитных волн практически произвольными способами.
После проведения экспериментов учеными в микроволновом режиме, доказавших свою принципиальность, рабочая частота метаматериалов была быстро перенесена на более высокую частоту от Тера-Герцовых (THz) до средне инфракрасных и видимых. Поскольку большинство метаматериалов состоит из металлов, плазменный эффект металлов играет важную роль в оптических метаматериалах.
Например, магнитно-резонансная частота сплит кольцевых резонаторов (SRRs) обратно пропорционально масштабируется при рабочей частоте ниже ∼100 THz, где металл все еще может рассматриваться как идеальный металл с бесконечной плотностью носителя и нулевой несущей скоростью.
Однако при приближении к оптическому режиму этот закон масштабирования разбивается на части, и модель для реальных металлов должна быть принята. На оптических частотах кинетической энергией электронов больше нельзя пренебрегать по сравнению с энергией магнитного поля, движущей током в контуре, что вносит дополнительный член в индуктивность SRRs.
Эта электронная инерция вместе с другими плазматическими эффектами изменяет простой масштабный закон сложным образом, приводя к окончательному насыщению резонансных частот SRRs на частоте около нескольких сотен THz. Поэтому более комплексное изучение плазменных эффектов в металлах заложит прочный фундамент для разработки оптических метаматериалов.
Ученые наблюдают быстрый рост в области плазменных метаматериалов, и она будет постоянно развиваться.
Интеграция плазмоники и метаматериалов дает ряд преимуществ, делая плазматические метаматериалы перспективной платформой для изучения сложных оптических эффектов и новых применений.
- Во-первых, масштабное расширение деятельности на местах приводит к усилению взаимодействия светлых материалов, благодаря чему многие слабые процессы могут быть усилены и эффективно использованы.
- Во-вторых, плотное полевое ограничение и сверхбыстрый оптический процесс позволяют создавать миниатюрные устройства, работающие либо как мост из фотонных и электронных компонентов, либо как полностью оптические фотонные цепи.
- В-третьих, спектры плазменных метаматериалов легко настраиваются путем изменения реакций отдельных составляющих и их связи. Это очень желательно практически во всех практических ситуациях.
За последнее десятилетие люди стали свидетелями огромного прогресса в области метаматериалов и плазмоники. Альянс метаматериалов и плазмоники неизбежно предоставит новые возможности для развития обеих областей и будет стимулировать новые междисциплинарные подходы к решению крупных задач в области обработки информации, чистой энергии и здоровья человека.
