Метаматериалы представляют собой искусственно структурированные материалы, свойства которых определяются не только химическим составом, но и геометрической конфигурацией элементарных структурных единиц — метапрепятствий. В отличие от традиционных материалов, метаматериалы способны проявлять свойства, отсутствующие в природе, включая отрицательный показатель преломления, анизотропию и управляемую дисперсию электромагнитного излучения.
Ключевым принципом работы метаматериалов является пространственная дискретизация. Структуры метаматериалов имеют размеры элементов, сопоставимые или меньше длины волны возбуждающего поля, что позволяет описывать их поведение через эффективные макроскопические параметры:
Эти параметры часто выражаются через усредненные поля внутри ячеек метаматериала. Теоретическая база включает метод многополюсного разложения, гомогенизацию и моделирование конечных элементов.
Одним из наиболее радикальных открытий в физике метаматериалов является возможность отрицательного показателя преломления $n = \sqrt{\varepsilon \mu} < 0$. В таких системах проявляются необычные эффекты:
Отрицательный показатель преломления достигается через резонансные ячейки, например, спиральные индуктивно-емкостные структуры (SRR — split-ring resonators), которые создают эффективную магнитную проницаемость μ < 0 в резонансной области.
Метаматериалы демонстрируют настраиваемую анизотропию, когда параметры ε и μ зависят от направления распространения электромагнитного поля. Анизотропные структуры обеспечивают:
Примерами служат гиперболические метаматериалы, где компоненты тензора диэлектрической проницаемости имеют разные знаки: ε∥ > 0, ε⟂ < 0, что приводит к сверхвысокой плотности фотонных состояний.
Метаматериалы обладают управляемой дисперсией, позволяющей создавать зоны частотного запрещения (band gaps) аналогично фотонным кристаллам. Локализация волны внутри метаматериала реализуется через резонансные структуры, что позволяет:
Введение активных элементов (например, диодов, транзисторов) в ячейки метаматериалов позволяет компенсировать потери и реализовать эффекты усиления. Нелинейные метаматериалы демонстрируют:
Концептуально метаматериалы позволяют создавать устройства нового типа для управления светом:
Важным аспектом является топологическая защита волновых состояний, которая обеспечивает устойчивость к дефектам и неровностям поверхности, открывая перспективы для интеграции в оптические и терагерцевые схемы.
На стыке с квантовой физикой метаматериалы позволяют:
Эти подходы основаны на принципе контролируемого локального поля, где геометрия и резонансные свойства элементарных ячеек определяют квантовое состояние фотонов.