Метаматериал

Метаматериал — это материал, свойства которого следуют не из его составных частей, а из их устройства. Греческая приставка meta означает «по ту сторону» — имеется в виду: по ту сторону того, что природа держит наготове в виде материалов.

Мысль одновременно проста и далеко идущая. Если расположить малые структуры по узору, заметно более тонкому, чем длина волны, которой их облучают, то волна «видит» не отдельные части, а материал с усреднёнными свойствами. Эти усреднённые свойства можно настраивать геометрией — и они могут принимать значения, которыми не обладает ни одно природное вещество.

Отрицательный показатель преломления

Известнейший пример — отрицательный показатель преломления. Советский физик Виктор Веселаго в 1968 году теоретически обдумал, что произошло бы, если бы материал обладал одновременно отрицательной диэлектрической и отрицательной магнитной проницаемостью: свет при входе преломлялся бы в неверную сторону.

Такой материал тогда не был известен. Тридцать лет спустя Джон Пендри описал, как его можно было бы построить, а в 2000 году группа вокруг Дэвида Р. Смита в Университете Калифорнии в Сан-Диего показала этот эффект экспериментально в микроволновом диапазоне — с решёткой из тонких проволок и разрезных кольцевых резонаторов.

С тех пор метаматериалы — самостоятельная область исследований. В 2006 году удалось создать первое маскирующее устройство для микроволн, которое как бы заставляло их обтекать объект на определённой частоте.

Для чего их применяют

Метаматериалы давно уже не только лабораторная диковинка:

• Антенны — компактные конструкции с направленным действием, которым классически потребовалось бы больше места
• Акустика — звукоизоляция, целенаправленно запирающая определённые частоты
• Оптика — линзы, разрешающие тоньше, чем позволяет классический предел дифракции
• Механика — материалы, которые при растяжении утолщаются, а не утончаются
• Тепло — устройства, направляющие тепловые потоки

Общее у всех одно: функция заключена в структуре, а не в веществе.

Связь с нейтриновольтаикой

Для Neutrino® Energy Group эта мысль центральна. Нейтриновольтаика основана не на особом элементе, а на особом наслоении: чередующиеся слои графена и кремния в нанометровом диапазоне, по патенту WO2016142056A1 от десяти до двадцати штук, в частности двенадцать.

И здесь действует принцип метаматериала: ни углерод, ни кремний по отдельности не делают ничего примечательного. Ожидание направлено на решётку, которую они образуют вместе, — и на то, что такая решётка в этом виде в природе не встречается.

Для кузова Pi Car метаматериалы тоже предусмотрены. Группа описывает их там как средство переводить окружающие потоки в механические микроколебания, которые вместе с легированными нанослоями порождают резонанс.

Почему устройство так много значит

Помогает образ. Кирпичный дом и кирпичная дорожка состоят из одного и того же материала; одно держит тепло, другая несёт вес. Различие лежит единственно в устройстве.

У метаматериалов дело обстоит так же, только в миллион раз мельче — и устройство решает не вопрос тепла или несущей способности, а вопрос о том, как волна или частица взаимодействует с веществом. То, что это взаимодействие можно оформлять, а не принимать как данность, и есть собственно выигрыш.

Родственные понятия

• Графен — одна половина наслоения
• Легированный графен — целенаправленно изменённая структура решётки
• Pi Car — метаматериалы в кузове
• Нейтриновольтаика — метод, стоящий за этим

Источники

• W. G. Wesselago: The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ, Soviet Physics Uspekhi 10, 509 (1968).
• D. R. Smith и др.: Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity, Physical Review Letters 84, 4184 (2000).
• Neutrino® Energy Group: The Pi Car, thepi.energy.