Метаматериалы — это искусственно созданные композитные среды, структурированные на субволновом уровне, чьи электромагнитные свойства определяются не химическим составом, а архитектурой их микроструктур. В отличие от традиционных материалов, параметры таких сред — диэлектрическая проницаемость ε и магнитная проницаемость μ — могут принимать аномальные значения, включая отрицательные, нулевые или комплексные, что невозможно в природных веществах.
Основу метаматериалов составляют периодические или квазипериодические массивы элементарных структур — метаатомов, размер которых существенно меньше длины волны рассматриваемого излучения. Типичным примером является массив из кольцевых резонаторов (сплит-рингов), обеспечивающих магнитную отклик даже в диапазоне, где обычные материалы немагнитны.
Поведение метаматериалов описывается в рамках эффективной медианной теории, согласно которой материал рассматривается как однородная среда со средними параметрами ε_eff и μ_eff. Эти параметры не просто усреднение по объему, а зависят от резонансных свойств метаатомов. Приближение эффективно работает, если длина волны электромагнитного поля значительно превышает характерные размеры структур.
Появление отрицательного показателя преломления (n = √(εμ) < 0) связано с одновременным отрицательным значением ε и μ в определённой полосе частот. Такие материалы называются левосторонними, поскольку в них вектор Пойнтинга и волновой вектор направлены противоположно друг другу. Это приводит к ряду парадоксальных эффектов, включая обратное преломление, аномальное Доплеровское смещение и обратное черенковское излучение.
Метаматериалы, как правило, работают в ограниченных частотных диапазонах, вблизи резонансов их метаатомов. Их дисперсионные свойства играют критическую роль: параметры ε(ω) и μ(ω) резко меняются вблизи резонансных частот, что накладывает фундаментальные ограничения на диапазон работы и потери.
Для описания таких материалов применяются дисперсионные модели типа Лоренца или Друде, в которых учитываются резонансные отклики на внешнее поле. Поглощение также неизбежно связано с наличием резонансов, что требует баланса между усилением функциональности и минимизацией потерь.
Метаповерхности представляют собой двумерную реализацию метаматериалов — это плоские массивы метаатомов, уложенные на подложке, которые взаимодействуют с электромагнитной волной преимущественно на границе. Главным преимуществом метаповерхностей является их сверхтонкая толщина (значительно меньше длины волны), что делает их идеальными кандидатами для интеграции в оптоэлектронные и фотонные устройства.
Метаповерхности способны реализовывать пространственно-зависимое управление фазой, амплитудой и поляризацией проходящего или отражённого света. Это достигается за счёт вариации геометрии, ориентации или материала отдельных метаатомов.
Особенно важным классом являются градиентные метаповерхности, на которых фазовый отклик изменяется по координате. Это позволяет реализовывать функции линз, дифракционных решёток, фазовых пластинок и даже нелинейных преобразователей на одном плоском слое.
Метаповерхности позволяют формировать произвольные волновые фронты на основе обобщенного закона преломления, который заменяет закон Снеллиуса в условиях пространственно-вариабельного фазового скачка. Согласно этому закону, изменение направления распространения света на границе может быть задано локальным фазовым градиентом, заданным метаатомами:
$$ n_i \sin\theta_i - n_t \sin\theta_t = \frac{\lambda}{2\pi} \frac{d\Phi}{dx} $$
где Φ(x) — фазовый профиль метаповерхности, λ — длина волны, а θi и θt — углы падения и преломления соответственно.
Это позволяет реализовывать фокусировку, отклонение, мультиплексирование, генерацию топологических мод (например, вихревого света с орбитальным моментом), что критически важно для фотонных коммуникаций и сенсорики.
Метаповерхности могут быть спроектированы так, чтобы демонстрировать анизотропные свойства, в зависимости от поляризации входного света. Такие структуры могут работать как поляризационные преобразователи, разделители, фазовые компенсаторы.
Дополнительное направление — динамически управляемые метаповерхности, в которых метаатомы выполнены из активных или изменяемых материалов (графен, фазовые переходные материалы типа VO₂, жидкие кристаллы, MEMS). Это позволяет менять оптические свойства в реальном времени под действием внешних факторов: электрического или магнитного поля, температуры, света.
Нелинейные метаматериалы включают элементы с интенсивностно-зависимыми свойствами, что позволяет реализовывать модуляцию, генерацию вторичной гармоники, самофокусировку и другие эффекты, недоступные в линейных системах.
Нелокальные эффекты возникают, когда отклик метаатома зависит не только от локального поля, но и от его изменения в пространстве. Это становится особенно значимым при плотной упаковке метаатомов, высокой добротности или наличии коллективных мод.
Одним из самых известных применений метаматериалов является создание сверхлинз, способных фокусировать свет с разрешением ниже дифракционного предела (λ/2), установленного классической оптикой. Это реализуется за счёт усиления затухающих (эвесцентных) волн, несущих субволновую информацию об объекте.
Примером служит плоская линза Пендри на основе левостороннего метаматериала с ε = −1 и μ = −1. Хотя такие структуры пока ограничены по частотному диапазону и имеют проблемы с потерями, они открывают принципиально новые подходы к микроскопии и литографии.
Изготовление метаматериалов требует точной нанофабрикации: электронно-лучевая литография, фотолитография, ионная травка, послойное осаждение. Главной задачей остаётся масштабируемость и снижение затрат. Проблемы также включают поглощение, узкополосность и чувствительность к углу падения.
Разработка гибридных метаматериалов, сочетающих резонансные элементы с фотонными кристаллами, плазмоническими структурами и диэлектрическими нанорезонаторами, позволяет преодолевать часть этих ограничений.
Метаматериалы и метаповерхности стали новым классом искусственных сред, в которых управление светом достигается на уровне подволновой инженерии. Их развитие меняет представление о возможностях классической оптики и открывает путь к реализации полностью интегрированных фотонных платформ следующего поколения.