Управление волной: ученые представили метаматериал с улучшенным контролем свойств

Разработка позволит значительно повысить стабильность и скорость передачи сигналов в таких устройствах, как фильтры для разных частотных диапазонов. Статья опубликована в журнале Scientific Reports издательского дома Nature.

Одними из самых перспективных новых материалов, разрабатываемых на стыке современного материаловедения, физики твердого тела, оптики и ряда других областей, являются метаматериалы. Они представляет собой искусственно созданные пространственно периодические структуры, наделенные теми свойствами, которые отсутствуют в материалах природного происхождения. Метаматериалы используются, например, для создания высокоточных сенсоров и стелс-покрытий.

Николаос Лазаридис и Георгиос Циронис, специалисты из лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС» и Критского центра квантовой запутанности и нанотехнологий Университета Крита, смоделировали метаматериал со специально подобранной структурой, которая позволяет более эффективно контролировать распространение электромагнитных волн. Это позволит значительно повысить скорость и стабильность передачи сигналов в микроэлектронных приборах, таких как частотно-селективные фильтры. Основные участники «процесса» в разработанном метаматериале — кольцевые щелевые резонаторы, PT-симметрия, моды и плоские зоны.

На диэлектрической подложке (например, на керамике) особым образом располагаются кольцевые щелевые резонаторы. Это небольшие (субмикронные) разомкнутые металлические кольца, связанные между собой как электрическим, так и магнитным взаимодействием. При этом в метаматериале имеется симметрия четность-время (PT-симметрия).

Изначально такая симметрия была обнаружена в физике частиц, когда при одновременной смене всех трех координат частицы (x, y, z) на противоположные (-x, -y, -z), а также при обращении времени t на -t, частица останется в первоначальном состоянии. В данном случае PT-симметрия создается сбалансированным подбором потерь и накачки в метаматериале.

Наличие PT-симметрии позволяет синхронно контролировать моды – гармонические колебания в каждом отдельном резонаторе (а, значит, и во всей системе). За счет этого получается получить и расширить плоские зоны — частотные области, в котором частоты мод не зависят от их длин, а, значит, их групповая скорость равна нулю.

Благодаря такому механизму контроля распространения волн можно проектировать системы, позволяющие формировать локализованные моды. Это позволит создавать новые метаматериалы с управляемым распространением электромагнитных волн, а также с локализацией их энергии.

На данный момент ученые завершили этап компьютерного моделирования метаматериала и теоретические расчеты. В дальнейших планах — продолжить работу, как над усовершенствованием контроля системы, так и над изготовлением и тестированием ее лабораторного образца.

СФУ

137 статей

Сибирский федеральный университет (СФУ) – крупнейший университет восточной части России. Состоит из 21 профильного института и 3 филиалов. Выполняет широкий спектр уникальных научных исследований в области биотехнологий, новых материалов, металлургии и горного дела, нанотехнологий, архитектуры и дизайна, космических и информационных технологий, математики, геномики, медицины и по многим другим направлениям. В университете действуют ведущие научные школы РФ, поддержанные грантами Президента РФ: «Дендроклиматический и дендроэкологический мониторинг лесов Северной Евразии» (руководитель – академик РАН Евгений Ваганов), «Экологическая биофизика» (руководитель – академик Иосиф Гительзон). А также научная школа профессора Августа Циха «Интегральные методы в комплексном анализе и алгебраической геометрии» и научная школа профессора Георгия Шайдурова «Радионавигационные и радиолокационные системы и устройства».

Показать больше