Метаматериалы - это искусственные структуры с метаатомами, специально подобранными на субволновой шкале для контроля электромагнитных волн.
Обычно метаматериалы описываются эффективными параметрами среды (например, показателем преломления, диэлектрической проницаемостью) из-за субволновой природы метаатомов. Когда метаатом сопоставим с длиной волны, описание эффективной среды иногда все еще актуально, но параметры эффективной среды становятся зависимыми от волнового вектора, то есть нелокальными. Гибкие конструкции метаатомов и их общее расположение позволяют достигать параметров среды с экстремальными значениями, такими как ноль и отрицание, которых нет в природе, и, высокими анизотропиями и неоднородностями, которые трудно реализовать в природе. Работая в диапазоне от МГц до 100 ГГц, микроволновые метаматериалы являются важными метаматериалами. Самые необычные физические явления были впервые продемонстрированы на микроволновых частотах, включая отрицательное преломление, маскировку невидимости и оптическую иллюзию.
Ожидается, что с помощью микроволновых метаматериалов будут открыты более фантастические физические явления благодаря более легкой реализации сложных параметров среды. Только будучи обнаруженными за последние 20 лет, метаматериалы должны найти практическое применение в технике, которое не может быть заменено традиционными подходами, и метаматериалы СВЧ станут первым кандидатом.
Помимо управления пространственными электромагнитными полями, микроволновые метаматериалы могут также использоваться для манипулирования поверхностными плазмонными поляритонами (SPP) и локализованными поверхностными плазмонами (LSP) на более низких частотах, которые имитируют высокоограниченные SPP и LSP в оптическом режиме.
Построенные на металлических поверхностях, украшенных периодическими массивами субволновых канавок, отверстий, ямочек и проволок, плазмонные метаматериалы могут адаптировать дисперсионные свойства, генерировать полевые усиления и мультиполярные резонансы и даже воспроизводить топологические изоляторы для направленных передач поддельных SPP. Несмотря на привлекательные физические явления, такие плазмонные метаматериалы нецелесообразны из-за их неплоских расположений с вертикальными размерами украшений. Для технических применений требуются плазмонные метаматериалы, подобные линии электропередачи.
Фактически в традиционных микроволновых технологиях есть два основных элемента: линия передачи (например, микрополоска, узкая металлическая полоса с заземлением) и активная микросхема, которые являются основой всех пассивных и активных устройств, соответственно. Однако пространственные распределения мод традиционных линий передачи могут привести к проблемам целостности сигнала, когда они плотно упакованы. Чтобы решить эту проблему с помощью базовой физики, появился плазмонный метаматериал в виде линии передачи, то есть ультратонкая, узкая и гибкая гофрированная металлическая полоса, которая может направлять поддельные SPP на большие расстояния на плоских и изогнутых поверхностях с небольшими изгибами и потерями на излучение.
Почти идеальное преобразование из пространственных режимов в режим SPP на ультратонкой гофрированной металлической полосе представлено путем создания градиентных гофров для согласования импульсов и импедансов, которые помогают разработать серию пассивных устройств SPP на микроволновых частотах, включая делители мощности, изгибы, стяжки, фильтры, резонаторы и SPP антенны. С другой стороны, закрытый ультратонкий гофрированный металлический диск на субволновой шкале может поддерживать обширные ложные резонансы LSP, в котором экспериментально наблюдаются дипольная, квадрупольная, гексапольная, октопольная и декапольная моды, что обогащает пассивные устройства с высокой добротностью SPP.
Теория эффективной среды хорошо объясняет ложный резонанс LSP и плазмонную гибридизацию.
Прорывом в микроволновых плазмонных метаматериалах стало включение поддельной линии передачи SPP в полупроводниковые микросхемы, что непосредственно приводит к созданию двух активных устройств SPP с высокой производительностью: усилителя SPP и умножителя частоты SPP.
Наличие пассивных и активных SPP-устройств позволяет в ближайшем будущем создать полностью микроволновые системы на основе SPP (например, системы беспроводной связи). Такие системы могут иметь значительные преимущества по сравнению с традиционными микроволновыми системами, потому что было показано, что взаимная связь между двумя близко расположенными линиями передачи SPP намного меньше, чем у традиционных линий передач с одинаковой геометрией, что решает проблему целостности сигнала. Недавний прогресс в области управляемой передачи и отклонения сигналов SPP в многослойных подложках ускорит рождение кремниевых интегральных схем SPP, основанных на теории и технологии SPP.
Микроволновые метаматериалы, описываемые параметрами эффективной среды, демонстрируют сильные возможности в управлении электромагнитными полями как в пространственном, так и в SPP-режимах. Однако после изготовления метаматериала его функциональность фиксируется. Для динамического управления электромагнитными волнами в реальном времени на микроволновой частоте появляются цифровые кодируемые и программируемые метаматериалы, в которых метаатомы представлены цифровыми кодами «0» и «1» с противоположными фазами.
Затем функциональность метаматериала может контролироваться в большой динамике путем изменения кодирующих последовательностей «0» и «1». Кодирующий метаматериал был расширен от микроволновых до терагерцовых частот, от изотропных до анизотропных и даже с полным тензором, от типа отражения к типу передачи, от одноканального до двухдиапазонного и от пространственного кодирования до частотного кодирования, демонстрируя мощную способность и большой потенциал кодирования метаматериалов при манипулировании волновыми фронтами, состояниями поляризации, числа и направления рассеивающих пучков, диффузии и преобразования из пространственных волн в поверхностные волны.
Состояния кодирования «0» и «1» могут быть реализованы одним и тем же метаатомом, содержащим смещенный диод, контролируемым образом с цифровым импульсом смещенного напряжения. Если импульсное напряжение равно «0» (0 В), состояние кодирования равно «0»; если импульсное напряжение равно «1» (2 В), состояние кодирования равно «1».
Таким образом, состояние кодирования каждого метаатома на метаматериале полностью контролируется цифровым состоянием смещенной сети, создавая цифровой метаматериал.
С помощью полевой программируемой логической матрицы (FPGA) для хранения всех возможных последовательностей кодирования появился программируемый метаматериал. Это единственный метаматериал, который имеет множество различных функций, контролируемых ПЛИС. Путем программирования различных последовательностей кодирования один метаматериал может генерировать луч с высоким коэффициентом усиления, несколько лучей с заданными числами и направлениями с аномальными отражениями, диффузным и случайным рассеянием и сканированием луча в больших диапазонах углов, реализуя динамические манипуляции с электромагнитными волнами в реальном масштабе времени.
Представление метаматериалов в цифровом кодировании создает мост между физическим и цифровым мирами метаматериалов, что позволяет применять теоремы информации и методы обработки сигналов к метаматериалам цифрового кодирования.
Первый подход предлагает использовать энтропию Шеннона на метаматериалах для количественного измерения информации, содержащейся в схеме кодирования и диаграмме рассеяния в дальней зоне.
Другое приложение - это теорема о цифровой свертке при кодировании метаматериалов, которая может достигать произвольных сдвигов пучка прямым и простым способом.
Для метаматериалов, основанных на эффективной среде, следует разработать некоторые ключевые устройства / компоненты, которые недоступны с использованием традиционных методов. Для плазмонных метаматериалов должна быть создана новая основанная на SPP структура микроволновой технологии, от базовых линий передачи до систем и интегральных микросхем, которые не только компенсируют традиционную микроволновую технологию, но также создают новые и незаменимые приложения.
Если вам было интересно – ставьте лайк и подписывайтесь на мой канал!