ضریب شکست منفی نور

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
رهام1380

نام: رهام حسامی

محل اقامت: تهران

عضویت : پنج‌شنبه ۱۳۹۹/۶/۲۰ - ۰۹:۴۸


پست: 103

سپاس: 15

جنسیت:

تماس:

ضریب شکست منفی نور

پست توسط رهام1380 »

موادی به نام فراماده ای با شاخص منفی یا فراماده ای است که ضریب شکست آن برای یک موج الکترومغناطیسی در برخی از دامنه های فرکانسی دارای مقدار منفی است . شکست منفی در الکترومغناطیسی پدیده که در آن نور اشعه تبدیل شکسته در رابط است که در مقابل به خواص شکست مثبت معمولا مشاهده می شود. شکست منفی را می توان با استفاده از یک به دست آمده فراماده که طراحی شده است برای رسیدن به یک مقدار منفی برای (الکتریکی) گذردهی (ε) و (مغناطیسی) نفوذپذیری (μ)؛ در چنین مواردی می توان ضریب شکست منفی به ماده اختصاص داد . چنین موادی را گاهی اوقات مواد "دو منفی" می نامند.
شکست منفی در رابط های بین موادی رخ می دهد که در آن یکی سرعت فاز مثبت معمولی (یعنی ضریب شکست مثبت) وجود دارد و دیگری سرعت فاز منفی عجیب و غریب (ضریب شکست منفی) دارد.
لزوما ضریب شکست ${\displaystyle n=\pm {\sqrt {\epsilon \mu }}}،$ تعریف میشود توجه کرده که ما$ {\displaystyle n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}\pm \kappa }.$ ضریب شکست همچنین به پارامتر دستکاری بستگی دارد ، و در نتیجه مقادیر مشخصی برای امواج قطبی دایره ای چپ و راست ، داده شده توسط میدانید انتشار امواج em بسته به دو پارامتر دارند
برای بیشتر مواد ، دو مقدار پیچیده ɛ و μ تنها اصطلاحات مربوطه هستند و از این رو پاسخ بین نور و ماده را حکم می کنند. با این وجود ، در میان زمینه های مختلف علمی ، پارامترهای EM دیگری نیز برای توصیف انتشار موج وجود دارد که مربوط به پارامترهای ماده نشان داده شده در معادله 1 با روابط جبری ساده است. به عنوان مثال مقادیری مانند جذب یا رسانایی یک ماده می تواند از نظر ɛ و μ تعریف شود.
$(n(ω)2 = ɛ(ω)μ(ω).$ شاخص شکست اندازه گیری سرعت موج EM هنگام انتشار در داخل ماده را فراهم می کند. علاوه بر این ، ضریب شکست همچنین اندازه گیری انحراف یک پرتو نور را هنگام عبور از رابط بین دو ماده با مقادیر مختلف برای شاخص های شکست آنها ، فراهم می کند. اندازه گیری کمی این خمش توسط ویلبرورد اسنل ارائه شد ، که نشان داد که ،شاخص شکست محیط اول و دوم به ترتیب با n1 و n2 نشان داده می شود و θ1 و θ2 زاویه هایی هستند که پرتوی نور با سطح نرمال هر محیط ایجاد می کند. یک نمودار ردیابی اشعه ساده در شکل 1 برای پرتوهای منشعب از یک منبع نقطه ای در فضای آزاد نشان داده شده است ، که بر روی یک دال با ضریب شکست مثبت رخ می دهد. با رسیدن به سطح دال ، پرتوهای منشأ یافته از منبع در رابط بین فضای آزاد و شیشه با زاویه ای که توسط معادله 2 تعیین می شود خم می شوند.شکست همیشه مثبت فرض می شود. اما طبیعت یک راز بزرگ از ما پنهان کرده است ، که اولین بار توسط ویکتور ویسلاگو فیزیکدان روسی شرح داده شد. وسلاگو دریافت که اگر ماده ای پیدا شود که مقادیر منفی برای عملکردهای الکتریکی و مغناطیسی داشته باشد (یعنی (ω) <0 و μ (ω) <0) ، پس شاخص شکست آن نیز منفی خواهد بود ، ω) <0
گرچه وسلاگو حدس زد كه ممكن است مواد طبیعی با ضریب شکست منفی در مواد طبیعی یافت شود یا سنتز شود ، اما چنین موادی هرگز یافت نشده است. با این حال ، از آنجا که کامپوزیتهای های ساختاریافته مصنوعی می توانند پاسخ های مغناطیسی و الکتریکی کنترل شده را در یک دامنه فرکانس گسترده داشته باشند ، دستیابی به شرایط ɛ <0 و μ <0 در کامپوزیت های مصنوعی امکان پذیر است اصطلاح فراماده (MM) به ماده یا کامپوزیتی ساخته می شود که به طور مصنوعی ساخته شده است و دارای خواص متمایز و احتمالاً برتری در مقایسه با مواد سازنده ای است که از آن تشکیل شده است.
پاسخ مغناطیسی
تشدید کننده حلقه اسپلیت (SRR) عنصری است که معمولاً برای پاسخ به جز mag مغناطیسی میدان EM استفاده می شود. این "اتم مغناطیسی" . چگونه این عنصر در یک آرایه مرتب شده و یک ماده مغناطیسی موثر تشکیل می دهد. در ساده ترین نمایش ، SRR می تواند به عنوان یک تشدید کننده LC باشد. یک میدان مغناطیسی متغیر با قطب عمود بر صفحه SRR ، طبق قانون فارادی جریان های در گردش را القا می کند. به دلیل وجود شکاف شکافی در SRR ، این جریان در گردش باعث ایجاد بار در سراسر شکاف با انرژی ذخیره شده به عنوان ظرفیت می شود. بنابراین SRR را می توان به عنوان یک مدار ساده LC ، با فرکانس تشدید $ω0∼√ 1 / LC$ ، که در آن القاance از مسیر فعلی SRR است ، مشاهده کرد. برای فرکانس های زیر ω0 ، جریان های موجود در SRR می توانند با نیروی محرکه تولید شده توسط میدان مغناطیسی متغیر خارجی مطابقت داشته و پاسخ مثبت حاصل شود. با این حال ، با افزایش سرعت تغییر (فرکانس) میدان مغناطیسی خارجی B ، جریان ها دیگر نمی توانند نگه داشته شوند و در نهایت شروع به عقب ماندن می کنند ، در نتیجه یک پاسخ خارج از فاز یا منفی ایجاد می شود.
شاخص شکست حاصل از دو عملکرد پیچیده، (ω) و μ (ω) است. با نشان دادن توابع پاسخ مغناطیسی و الکتریکی توسط نوسانگرهای لورنتس به شکل پیچیده ، می بینیم که شاخص مربع$ (n2 = ɛ (ω) μ (ω)$ است. سپس ضریب شکست پیچیده $n = becomes (rermei (θe + θm) / 2)$ می شود. توجه داشته باشید که مرحله ضریب شکست به طور متوسط ​​میانگین مراحل نفوذ پذیری مغناطیسی و قدرت الکتریکی است ، یعنی $θn = (θe + θm) / 2.$ این نشان می دهد که بردار توصیف کننده انکسار باید در ربع فضای پیچیده باشد. بنابراین سرانجام می بینیم که اگرچه ابهامی وجود دارد که در آن می توان علامت را برای بخش واقعی شاخص ، یعنی $n = n1 + in2 = ± ،μ $، هنگامی که توابع علی را در نظر می گیریم ، مشخص است که ضریب شکست لازم است منفی n1 <0.
چندین دهه است که موادی که به طور طبیعی جواب می دهند و به اجزای الکتریکی نور پاسخ منفی می دهند ، شناخته شده اند. هر فلزی که زیر فرکانس پلاسما باشد (فرکانسی که در آن شفاف می شود) مقادیر منفی مجاز را تولید می کند. این پاسخ <1 <0 از الکترونهای آزاد موجود در فلز حاصل می شود که تابش اشعه EM خارجی را نشان می دهند. اما یک فلز فله تنها ماده ای نیست که پاسخ الکتریکی منفی نشان می دهد. یک آرایه توزیع شده از هادی ها ، یا حتی یک مشبک روی یک هادی ، می تواند همان نتیجه را داشته باشد. دهه ها پیش محققان با استفاده از آرایه های سیم رسانا و سایر اشکال منحصر به فرد سازه هایی با ɛ 0 ساختند. .
فرامادهایی با شاخص منفی در حال تولید هستند تا تابش الکترومغناطیسی را به روشهای جدید دستکاری کنند. به عنوان مثال ، خصوصیات نوری و الکترومغناطیسی مواد طبیعی اغلب از طریق شیمی تغییر می کنند . با استفاده از فرامادها ، می توان با تغییر هندسه سلولهای واحد آن ، خصوصیات نوری و الکترومغناطیسی را مهندسی کرد . سلولهای واحدی موادی هستند که به ترتیب هندسی با ابعادی ترتیب داده می شوند که کسری از طول موج موج الکترومغناطیسی تابشی هستند.. هر واحد مصنوعی به تابش حاصل از منبع پاسخ می دهد. نتیجه جمعی پاسخ مواد به موج الکترومغناطیسی است که از حد طبیعی گسترده تر است.
پس از آن ، با تنظیم شکل ، اندازه و پیکربندی سلولهای واحد ، انتقال تغییر می کند. این نتایج در کنترل پارامترهای مواد شناخته شده به عنوان اجازه و نفوذ پذیری مغناطیسی است . این دو پارامتر (یا کمیت) انتشار امواج الکترومغناطیسی در ماده را تعیین می کند . بنابراین ، کنترل مقادیر مجاز و نفوذ پذیری به این معنی است که ضریب شکست می تواند منفی یا صفر و همچنین به طور قراردادی مثبت باشد. همه اینها به برنامه مورد نظر یا نتیجه دلخواه بستگی دارد . بنابراین ، ویژگی های نوری می توانند فراتر از توانایی لنزها گسترش یابند، آینه ها و سایر مواد مرسوم. علاوه بر این ، یکی از تأثیراتی که بیشتر مورد مطالعه قرار گرفته ، شاخص منفی شکست است.
انتشار معکوس
هنگامی که یک ضریب شکست منفی رخ می دهد ، انتشار موج الکترومغناطیسی معکوس می شود. وضوح کمتر از حد پراش امکان پذیر است. این به تصویربرداری با طول موج ساب معروف است . انتقال پرتوی نور از طریق سطح مسطح الکترومغناطیسی یکی دیگر از قابلیت هاست. در مقابل ، مواد متداول معمولاً منحنی هستند و نمی توانند به زیر تفکیک برسند. همچنین ، معکوس کردن امواج الکترومغناطیسی در یک ماده ، همراه با سایر مواد معمولی (از جمله هوا) می تواند منجر به حداقل رساندن تلفاتی شود که به طور معمول اتفاق می افتد.
معکوس موج الکترومغناطیسی که با سرعت فاز ضد موازی مشخص می شود نیز شاخص ضریب شکست منفی است.
علاوه بر این ، مواد با شاخص منفی کامپوزیت های سفارشی هستند. به عبارت دیگر ، مواد با نتیجه دلخواه در ذهن ترکیب می شوند. برای دستیابی به خصوصیات نوری که در طبیعت دیده نمی شوند می توان ترکیباتی از مواد را طراحی کرد. خصوصیات ماده کامپوزیت از ساختار شبکه ای آن ساخته شده است که از اجزای کوچکتر از طول موج الکترومغناطیسی مانع از هم جدا شده و مسافت کوچکتر از طول موج الکترومغناطیسی مانع است. به همین ترتیب، با ساخت فرامواد جمله پژوهشگران در حال تلاش برای غلبه بر محدودیت های اساسی وابسته به طول موج از نور . خصوصیات بصری غیرمعمول و خلاف در حال حاضر از کاربردهای عملی و تجاری استفاده از مایکروویوهای الکترومغناطیسی در سیستم های بی سیم و ارتباطی استفاده می کنند . سرانجام ، تحقیدر سال 2000 ، تیم محققان UCSD دیوید آر اسمیت با رسوب سازه ای بر روی بستر صفحه مدار ، متشکل از یک سری حلقه های شکاف دار نازک مس و بخشهای سیم معمولی که به موازات هم ردیف شده اند ، کلاس جدیدی از مواد کامپوزیتی را تولید کردند. حلقه. این ماده خصوصیات فیزیکی غیرمعمولی را که هرگز در طبیعت مشاهده نشده بود به نمایش می گذارد. این مواد از قوانین فیزیک پیروی می کنند ، اما رفتار متفاوتی با مواد عادی دارند. در واقع این فرامادها با شاخص منفی به دلیل توانایی برگشت بسیاری از خصوصیات فیزیکی مورد توجه قرار گرفتندکه رفتار مواد نوری معمولی را کنترل می کنند. یکی از آن خصوصیات غیرمعمول توانایی معکوس کردن قانون شکست اسنل برای اولین بار است . تا زمان نشان دادن ضریب شکست منفی مایکروویو توسط تیم UCSD ، این ماده در دسترس نبود. پیشرفت های دهه 1990 در توانایی های ساخت و محاسبات باعث شد این اولین مواد فرعی ساخته شوند. بنابراین ، فراماده "جدید" از نظر اثراتی که ویکتور ویسلاگو 30 سال قبل توصیف کرده بود ، آزمایش شد. مطالعات این آزمایش که اندکی پس از آن انجام شد ، اعلام کرد که اثرات دیگری نیز رخ داده است. [

با وجود آهن ربا های ضد فروم و انواع خاصی از آهن ربا های عایق ، در صورت وجود تشدید پلاریتون ، نفوذ پذیری منفی مغناطیسی منفی امکان پذیر است . با این وجود ، برای دستیابی به یک شاخص منفی شکست ، قدرت پذیری با مقادیر منفی باید در همان دامنه فرکانس رخ دهد. تشدیدکننده حلقه اسپلیت حلقه ای مصنوعی طرحی است که این مهم را همراه با نوید میرایی کاهش تلفات زیاد انجام می دهد. با این اولین معرفی فرامادها ، به نظر می رسد که تلفات وارده کوچکتر از مواد ضد فرومغناطیسی یا فرومغناطیسی باشد.
هنگامی که برای اولین بار در سال 2000 نشان داده شد ، مواد کامپوزیتی (NIM) به انتقال تابش مایکروویو در فرکانس های 4 تا 7 گیگا هرتز (طول موج های 28/7–49/4 سانتی متر) محدود شد. این محدوده بین فرکانس اجاق های مایکروویو خانگی ( ~ 2.45 گیگاهرتز ، 12.23 سانتی متر) و رادارهای نظامی (~ 10 گیگاهرتز ، 3 سانتی متر) است. در فرکانس های نشان داده شده ، پالس های تابش الکترومغناطیسی که از طریق ماده در یک جهت حرکت می کنند از امواج تشکیل دهنده ای تشکیل می شود که در جهت مخالف حرکت می کنند.
فرامادها به عنوان یک آرایه دوره ای از حلقه تقسیم مس و عناصر هدایت سیم که بر روی یک بستر صفحه مدار سپرده شده ، ساخته شده است. طراحی به گونه ای بود که سلولها و فاصله شبکه بین سلولها بسیار کوچکتر از طول موج الکترومغناطیسی تابش شده بودند . از این رو ، به عنوان یک رسانه موثر رفتار می کند . مواد قابل توجه شده است، چون دامنه خود را از (موثر) گذردهی ε EFF و نفوذپذیری μ EFFمقادیر بیش از مقادیر موجود در هر ماده معمولی است. علاوه بر این، ویژگی های منفی نفوذپذیری (موثر) ابراز شده توسط این رسانه به ویژه قابل توجه است، به دلیل آن است نه در مواد معمولی یافت می شود. علاوه بر این ، مقادیر منفی برای م componentلفه مغناطیسی مستقیماً به نام و ویژگی های چپ دست آن مربوط می شود (در بخشی در زیر بحث شده است). تشدید تقسیم حلقه (SRR)، ، ابزار کار برای دستیابی نفوذپذیری منفی است. این اولین فراماده مرکب سپس از تشدید کننده های حلقه اسپلیت و پست های رسانای الکتریکی تشکیل شده است.

در ابتدا ، این مواد فقط در طول موج های طولانی تر از طیف مرئی نشان داده می شدند . علاوه بر این ، NIM های اولیه از مواد مات ساخته می شدند و معمولاً از مواد غیر مغناطیسی ساخته می شدند. به عنوان مثال ، اگر این مواد در فرکانسهای قابل مشاهده ساخته شده و یک چراغ قوه بر روی دال NIM حاصل تابانده شود ، مواد باید نور را در نقطه ای از طرف دیگر متمرکز کنند . این کار با یک ورق از مواد مات معمولی امکان پذیر نیست. در سال 2007 ، NIST با همکاری آزمایشگاه Atwater در Caltechاولین NIM فعال را در فرکانس های نوری ایجاد کرد. اخیراً (از سال 2008 ) ، مواد NIM لایه لایه "NIM" ساخته شده از سیم های سیلیکون و نقره در فیبرهای نوری ادغام شده اند تا عناصر نوری فعال ایجاد کنند.
خوب تاکید شود ما می دانیم که ضریب شکست ریشه مربع محصول نفوذپذیری ثابت دی الکتریک و مغناطیسی است.
n ^ 2 = ϵμ

مواد معمولی هر دو پارامتر مثبت دارند. اگر هر دو منفی باشند ، ما مواد چپ دستی را نیز داریم که به عنوان متا مواد نیز شناخته می شوند. ضریب شکست مثبت فرض می شد تا این ایده که اگر ماده ای پیدا شود که مقادیر منفی برای عملکردهای الکتریکی و مغناطیسی مواد به امواج EM داشته باشد ، (یعنی ɛ (ω) <0 و μ (ω) <0) ، سپس شاخص انکسار آن نیز منفی خواهد بود ، n (ω) <0 به ذهن فیزیکدانان (به خصوص ویکتور ویزلاگو فیزیکدان روسی) وارد شد.
با این حال ، از آنجا که متا مواد ساختاری مصنوعی می توانند پاسخ های مغناطیسی و الکتریکی را در محدوده فرکانس وسیعی کنترل کنند ، دستیابی به شرایط ɛ <0 و μ <0 در کامپوزیت های مصنوعی امکان پذیر است.
را دیگر با توصیف بردار قطبی . این امر هم در زمینه های الکتریکی و هم در زمینه های مغناطیسی اعمال می شود ، اما به خاطر داشته باشید که هنوز هیچ بار مغناطیسی وجود ندارد ، اما دو قطبی مغناطیسی وجود دارد که معادل مغناطیسی دو قطبی الکتریکی هستند.

یک جسم نقطه ای بگیرید که شارژ خنثی باشد و شارژ آن جدا نباشد (یعنی اصلاً میدان الکتریکی نداشته باشد). اکنون یک میدان الکتریکی بر روی آن قرار دهید و اگر قطب پذیر باشد ، هنگامی که یک میدان الکتریکی را روی آن اعمال می کنید ، یک لحظه دو قطبی القا می شود - یعنی اگر از بار تشکیل شده باشد (و همه چیز وجود دارد) ، پس میدان الکتریکی اعمال شده اتهامات را از هم جدا کنید

این دو قطبی القایی ممکن است دقیقاً مانند جدا شدن 2 بار از یکدیگر به نظر نرسد ، اما زمینه های تولید شده توسط جداسازی بار به همان صورت ظاهر می شوند که اگر واقعاً دو بار از هم جدا شده باشند.

از نظر ریاضی ، ما می توانیم یک لحظه دو قطبی تعریف کنیم ، که بار شارژ جدایی است ، یا

p = q * d

یک بردار در جهت جداسازی.

بعلاوه ، برای میدانهای الکتریکی کاربردی نسبتاً کوچک ، گشتاور دو قطبی ناشی از آن تقریباً با قدرت میدان الکتریکی اعمال شده متناسب خواهد بود ، بنابراین ما باید

p = α * E ،

جایی که α قطبش پذیری ذره است. هرچه قطبش پذیری بیشتر باشد ، دو قطبی القا شده برای یک میدان الکتریکی معین قویتر است.

در سطح کلان ، اگر یک دسته دو قطبی الکتریکی از طریق یک ماده داشته باشیم ، چه اتفاقی می افتد ؟؟

سپس مقدار زیادی از قطبی بودن را به نام حساسیت تعریف می کنیم ، که اغلب به عنوان ᵡ (حرف یونانی chi) نشان داده می شود. در تراکم های کوچک (یعنی دوقطبی ها به اندازه کافی از هم دور هستند که زمینه های محلی دو قطبی با دو قطبی دیگر ارتباط برقرار نمی کنند) ، حساسیت دقیقاً با تراکم افزایش می یابد ، یا
ᵡ = Nα.ما یک بردار قطبش ماکرو P = -E تعریف می کنیم که حاصل جمع همه بردارهای میکرو قطبش p است. بعد ، ما بردار جابجایی الکتریکی D = ε0 * E + P را تعریف می کنیم ، جایی که ε0 مجوز فضای آزاد است. برای ساده تر کردن موارد ، ما D = εE را تعریف می کنیم ، جایی که ε استعداد قابل قبول بودن ماده است ، و با ترکیب دو فرمول قبلی برای بدست آوردن
ε = ε0 * (1 + ᵡ)
اما وقتی آنها به اندازه کافی نزدیک می شوند تا شروع به تعامل کنند ، این امر به ترتیب دو قطبی بستگی می یابد.

برای دستیابی به حساسیت فاکتور کلان ، باید پاسخ میدانهای الکتریکی القایی را گرفته و آنها را به طور متوسط ​​نسبت به مواد مورد بررسی قرار داد. در یک کریستال که به صورت دوره ای مرتب شده است ، میانگین از سلول واحد گرفته می شود. از آنجا که هر دو قطبی القا شده الگوی میدان الکتریکی خاص خود را دارد ، اگر دو قطبی دیگری به اندازه کافی نزدیک باشد ، میدان القایی زمینه بیشتری را برای القای لحظه دو قطبی قوی تر در دو قطبی مجاور ایجاد می کند ، و این باعث می شود حساسیت کل بیش از قطبی بودن و چگالی باشد. این بستگی به چیدمان دو قطبی دارد.
یک فرمول مشابه برای نفوذ پذیری مغناطیسی وجود دارد ، با استفاده از μ به جای ε و برخی تفاوت های کوچک دیگر اما با همان مفهوم.

یک واکنش زمانی از قطب پذیری وجود دارد که منجر به پراکندگی می شود (داشتن یک شاخص شکست مختلف در فرکانس های مختلف ، یا داشتن یک اجازه RF متفاوت از یک قدرت نوری). علاوه بر این ، ذرات بزرگتر به طور قابل توجهی کوچکتر از طول موج یک موج الکترومغناطیسی ورودی نیز می توانند به عنوان دو قطبی مشخص شوند تا یک حد و نفوذ پذیری مصنوعی ایجاد کنند ، جایی که مواد فرامادی از آنجاست.
ترجمه شده از چند مطلب علمی از اینترنت تصویر

ارسال پست