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.

Автор – Мария Перемитина

НИТУ МИСИС

57 статей

Университет науки и технологий МИСИС — это ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов; первый в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета». Первое место в России и ТОП-100 в мире в рейтинге QS Materials Science за 2023 год. В университете действуют 45 научно-исследовательских лабораторий и 3 научных центра мирового уровня. В состав НИТУ МИСИС входят 8 институтов, 4 филиала в России и 2 за рубежом.

Показать больше