Метаматериалы представляют собой искусственно структурированные композитные среды, обладающие электромагнитными, акустическими или механическими свойствами, недостижимыми в природных веществах. Их характерной особенностью является то, что эффективные параметры среды — диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость, плотность или модуль упругости — определяются не химическим составом материала, а геометрией и топологией элементарных структур, из которых они состоят.
В классическом понимании свойства вещества задаются атомным строением. В метаматериалах же размер структурных элементов на несколько порядков меньше длины волны взаимодействующего излучения или возмущения, что позволяет описывать их поведение в терминах эффективной среды с заданными параметрами.
Электромагнитные метаматериалы проектируются для управления распространением электромагнитных волн. Основные задачи заключаются в создании структур, обеспечивающих отрицательную диэлектрическую и магнитную проницаемость. Впервые концепция была сформулирована В. Г. Веселаго в 1967 году, предсказавшего возможность существования среды с отрицательным показателем преломления.
Ключевые эффекты:
Конструктивно электромагнитные метаматериалы реализуются в виде массивов сплит-резонаторов, металлических проводящих решеток, или более сложных нанофотонных структур.
Акустические метаматериалы манипулируют звуковыми волнами в жидких и твердых средах. Их центральная особенность заключается в управлении эффективной плотностью и модулем сжимаемости.
Характерные свойства:
Механические метаматериалы строятся на базе периодических ячеек, определяющих их макроскопические свойства. Примеры — структуры с отрицательным коэффициентом Пуассона (ауксетики), обладающие свойством расширяться в поперечном направлении при растяжении, что невозможно для обычных материалов.
Фотонные кристаллы представляют собой периодические структуры, формирующие запрещенные зоны для электромагнитных волн, аналогично зонной структуре электронов в твердых телах. Управляя геометрией кристалла, можно создавать локализованные состояния и направленные каналы для распространения света.
Современное направление — топологические метаматериалы, основанные на идеях топологической физики конденсированного состояния. Такие структуры устойчивы к дефектам и неравномерностям, обеспечивая нерассеянное распространение волн вдоль границ или дефектных областей. Это открывает возможности для создания новых поколений фотонных и акустических устройств с высокой стабильностью и надежностью.
Одним из актуальных направлений является разработка метаматериалов, работающих в терагерцевом и видимом диапазонах. Главные трудности связаны с необходимостью нанометровой точности изготовления структур, так как длина волны излучения становится сравнимой с размерами элементарных ячеек.
Перспективные технологии:
В оптическом диапазоне метаматериалы обеспечивают явления поверхностных плазмон-поляритонов, позволяющие усиливать свет на наномасштабе и интегрировать фотонные устройства с микроэлектроникой.
Отдельное направление связано с тепловыми метаматериалами, где управление осуществляется потоками фононов и инфракрасного излучения. Возможна реализация тепловых диодов и тепловых клокинг-структур, позволяющих перераспределять тепло подобно управлению электромагнитными волнами.
Примеры применений:
Метаматериалы уже находят практическое применение в антеннах с управляемой диаграммой направленности, устройствах беспроводной связи, сенсорах, лазерах и медицинской визуализации. В долгосрочной перспективе они открывают возможности для создания квантовых метаматериалов, интеграции с системами квантовой информации, а также реализации полностью новых классов устройств для управления волнами любого происхождения — от света и звука до тепла и спиновых возбуждений.