Anorgaaniline Keemia/Metamaterjalid

Aastal 1999 defineeriti metamaterjalid järgmiselt: metamaterjal on makroskoopiline komposiit, millel on sünteetilised, kolme dimensionaalsed, korduvad lülid, mis on disainitud tekitama kaks või enamat vastust spetsiifilisele ergastusele. See ei ole päris täpne definitsioon. Parem oleks öelda, et metsamaterjal on makroskoopiline komposiit, mis koosneb korduvatest või mittekorduvatest lülidest, mille omadused on tingitud nii rakuarhitektuurist kui ka keemilisest koostisest. Definitsioonist saab välja lugeda, et struktuurist tingituna on materjalil olemas erilised optilised nähtused (näiteks negatiivne murdumisnäitaja), mis on suuremad kui aatomid ja molekulid, aga väiksemad kui kasutatav elektormagnetlaine lainepikkus. Metamaterjali kirjeldamisel tuleb tähele panna, et rakusuurus peab olema väiksem või sama suur, kui kasutatav lainepikkus.

Joonisel on välja toodud tüüpiline metamaterjali struktuur ning kasutatav elektromagnetlaine on mikrolaine. Vasakpoolsel joonisel (Joonis A) on homogeenne keskkond ja parempoolsel joonisel (Joonis B) on mitte korduvate struktuuriühikutega ehk mittehomogeenne keskkond.

Metamaterjalide omadused sõltuvad väga palju raku arhitektuurist, mis tähendab, et metamaterjalide omadusi saab kergesti kontrollida. Metamaterjalid võimaldavad realiseerida kõiki materjaliomadusi disainides erinevaid raku arhitektuure, kasutades erinevaid substraate. See annab võimaluse sünteesida uusi materjale, mida looduses ei esine – see on metamaterjalide kõige suurem eelis teiste materjalide ees.

Tavaliselt on materjali omadused karakteriseeritud dielektrilise läbilaskvuse (μ) ja magnetilise läbilaskvuse (ε) poolt. Kõige õhem materjal looduses on vaba ruum ehk vaakum, mille dielektriline läbilaskvus on μ₀ ning magnetiline läbilaskvus on ε₀. Suhteline dielektriline läbilaskvus (ε_r) on järgmine: ${\begin{matrix}\varepsilon _{r}={\frac {\varepsilon }{\varepsilon _{0}}}\end{matrix}}$ ning suhteline magnetiline läbilaskvus (μ_r) on järgmine: ${\begin{matrix}\mu _{r}={\frac {\mu }{\mu _{0}}}\end{matrix}}$. Suhtelised läbilaskvused defineerivad materjali ühe olulise parameetri – murdumisnäitaja. Murdumisnäitaja (n) on kahe defineeritud järgnevalt: ${\begin{matrix}n={\sqrt {(\varepsilon _{r}*\mu _{r})}}\end{matrix}}$. Looduses on enamus materjalidel suhtelised läbilaskvused suuremad kui ε₀ ning μ₀.

Vasaku käe materjalide ajalugu

Vasaku käe materjali (ingl Left-Handed Material e LHM) konseptsioon pakuti Veselago poolt välja aastal 1968, teoreetiliselt avastati negatiivse murdumisnäitajaga materjalid juba palju varem. See konseptsioon jäi seisma kolmekümneks aastaks, kuna puudus võimalus eksperimentaalselt kontrollida teoreetilisi mudeleid ja teadmisi (metamaterjale looduses ei eksisteeri). Esimene LHM-i nõnda öelda revolutsioon toimus aastal 1996, kui realiseeriti kunstlikult elektriline plasma, kasutades traatkeskkonda, mille läbilaskvus on negatiivne. Kolm aastat hiljem, aastal 1999, esmakordselt sünteesiti SRR (ingl split-ring resonator) struktuuriga materjalid. Tähelepanu vasaku käe materjalide jaoks kasvas, aga neil on vältimatud puudused: väike ribalaius ning suur lainepikkuste kadu. Aastal 2005 toimus teine nõnda öelda revolutsioon, kui suudeti murda elektromagnetlaineid, kasutades gradiendiga murdumisnäitajaga keskkonda. Aastal 2006 pakuti välja optiline transformatsioon selleks, et valmistada nähtamatuid katteid ning elektromagnetlainete levimist kontrollida.

Optiline transformatsioon

Metamaterjalidega on võimalik saavutada vajalikke materjali parameetreid muutes raku arhitektuuri ja selle keemilist koostist. See tekitab küsimuse, et mis on metamaterjalide parameetrite nõue ja kuidas valida neid parameetreid. Mõndadel juhtudel on lahendus väga lihtne kasutades juba tuntuid teooriaid ja geomeetrilist optikat (näiteks gradiendiga murdumisnäitaja lääts ehk objektiiv). Üldjuhul see ei ole nii lihtne, õnneks optilise transformatsiooni välja pakkumine ka lahendab neid probleeme.

Optiline transformatsioon on üks olulisemaid meetodeid metamaterjali arenduses. Põhinedes Maxwell’i võrrandites olevates vormi muutumatuse põhimõttele on optiline transformatsioon tuletatud rangelt suletud vormides. Optiline transformatsioon loob silla seadme funktsioonide ja materjali omaduste vahel. Maxwell’i võrrandidest on näha, et on võimalik valmistada nähtamatu kate. Nähtamatu kate on tehtud impedantsi sobitamise materjalidest, et elimineerida kõik peegeldused. See tähendab, et tegemist on materjalidega, mille impetantsid on omavahel sobitatud, püüdakse saada sellist materjali, mille impedants valgusele on võrdeline õhu omaga (siis on materjal läbipaistev). Siin vaadeldakse materjali impedantsi elektromagnetvälja suhtes, millega see interakteerub. Seega optiline transformatsioon võimaldab otseselt manipuleerida elektromagnetlaineid. Metamaterjalide kuju, geomeetria, suurus, orientatsioon ning paigutus annavad neile omaduse manipuleerida elektromagnetlaineid (blokeerimine, absorbeerimine, võimendamine, murdumine).

Seda nähtust on kasutatud ka selleks, et genereerida elektromagnetkondensaatoreid, millega saab fokuseerida elektromagnetlaineid väikesesse suletud piirkonda. Hea näide selleks on elektromagnetvälja ja polarisatsiooni rotaatorid, mis võimaldab pöörata elektromagnetvälja.

Dielektrilisel läbilaskvusel ning magnetilisel läbilaskvusel on suur dünaamiline ulatus resonantssageduse lähedal. Kui see sagedus natukene muutub, siis mõlemad läbilaskvused muutuvad palju. Teisisõnu, kui SRR osakese suuruse erinevus on väike, siis resonantssagedusel on väike nihe, mis omakorda tähendab, et läbilaskvused muutuvad palju. Seega on võimalik realiseerida suure dünaamilise ulatusega materjalide parameetreid, kasutades resonantsosakesi – see on selliste metamaterjalide eelis.

Praegusel ajal kõige atraktiivsem metamaterjal on superlääts. Mikrolainete piirkonnas esimene superlääts võimaldas difraktsiooni piirist kolm korda paremat lahutatavust. Superläätsesid saab kasutada meditsiinilises pildistamises ja optilises mikroskoopias. Mikrolainete piirkonnas on juba võimalik eksperimentaalselt nähtamatute katete kasutamine.

Metamaterjalide valmistamine

Metamaterjalid võivad olla kas kahe- või kolme dimensionaalsed. Lihtsam on valmistada kahe dimensionaalseid metamaterjale. Neid meetodeid, mida kasutatakse kahe dimensionaalsete metamaterjalide valmistamiseks ei saa kasutada kolme dimensionaalsete materjalide tegemiseks. Kõige lihtsam viis kolme dimensionaalsete materjalide valmistamiseks võiks olla 2D tasapinnaliste kihtide kuhjamine (ingl stacking). Alumisel joonisel on näide materjalist, kus on kasutatud nõnda öelda layer-by-layer tehnikat, kusjuures antud pilt on tehtud nurga all.

On olemas ka täiesti eraldi välja töötatud kolme dimensionaalsete materjalide sünteesimise tehnikad, näiteks FIB-CVD (ingl focused ion beam chemical vapor deposition) võimaldab luua kolme dimensionaalseid struktuure. Meetod põhineb ikka kihtide kuhjamisel üksteise otsa ning olemusel ei ole sellistel tehnikatel 3D ruumilist lahutusvõimet. Veel üheks meetodiks on kahe footoni absorptsioon (ingl two-photon absortion) ehk TPA, mis võimaldab eelnimetatud probleemi lahendada. Võrreldes ühe footoni absorptsiooni meetodiga, on absorptsiooni tõenäosus proportsionaalne valguse kiiruse ruuduga. See tähendab, et absorptsioon on lokaliseeritud ainult valguse fookuspunktis. Antud meetodil on 3D ruumiline lahutusvõime. All toodud joonisel on materjal, kus on kasutatud kahe footoni absorptsiooni tehnikat. Materjal on valmistatud vaigust (ingl resin) ning vaiku tahkumiseks kasutati elavhõbeda lampi.

Tegelikult neid meetodeid on veelgi rohkem, näiteks hallitooni fotolitograafia (ingl grayscale photolithography) ning võimaldab valmistada keerulisi kolme dimensionaalseid struktuure. All toodud joonisel on materjal, mis on hallitooni fotolitograafiaga valmistatud. Tegemist on kolme dimensionaalse materjaliga, mis koosneb SRR’de reast või massiivist. SRR asetseb kuubi külgedel ning pealt kuup on avatud.

Murdumisnäitaja

Murdumisnäitaja on dimensiooniline number, mis kirjeldab valguse liikumist läbi materjali. Alumisel joonisel (joonis a) on tegemist positiivse murdumisnäitajaga materjaliga. Sellised materjalid on looduses levinud, kõige lihtsam näide oleks klaas. Parempoolsel joonisel (joonis b) on tegemist negatiivse murdumisnäitajaga materjaliga. Negatiivse murdumisnäitajaga materjalist valmistatud lääts defokuseerib valgust, positiivse murdumisnäitajaga materjal, aga fokuseerib valgust ühte punkti.

Negatiivse murdumisnäitajaga (NRI) metamaterjal

Peaagu kõik looduslikud ained kaotavad oma magnetilise vastuse (ingl magnetic response) valguse magnetiliste komponentide suhtes ning nende magnetiline läbilaskvus muutub ühtseks, mistõttu puuduvad looduses negatiivse murdumisnäitajaga materjalid. Negatiivse murdumisnäitajaga ained võimaldavad valmistada läätsesid, millel puudub difraktsioonipiir.

Negatiivse murdumisnäitajaga (ingl negative refractive index) ehk NRI materjalid on enamjaolt tehtud kahest elemendist, mis on dielektrilised elemendid negatiivse elektrilise ja magnetilise läbilaskvusega. Elemendil endal ei pea olema negatiivsed läbilaskvused kõigi elektromagnetvälja komponentida jaoks. Elemente saab paigutada materjali vasakpoolsete väljavektorite järgi vastavatesse suundadesse, juhitud välja vektori suund peab olema sama, mis on langeva laine väljal (peegeldumise vähendamiseks). Need tingimused on vajalikud, et valmistada NRI materjale, aga tekitavad probleeme materjali tootmises.

Ühe dimensionaalne negatiivse murdumisnäitajaga (NRI) metamaterjal

Metalliribad töötavad elementidena, millel on negatiivne elektriline läbilaskvus ribade pikema suunaga paralleelse välise elektrivälja jaoks. Positiivsed laengud salvestatakse elektrivälja suunaga vastupidistes otstes, mis näitabki, et läbilaskvus on negatiivne. Materjal käitub negatiivse murdumisnäitajaga x-polariseeritud lainele, mis levib z suunas. Alumisel joonisel on toodud näide NRI materjalist.