Μεταϋλικά: μαθαίνοντας στο φως καινούργιες διαδρομές

Transcript

1 Μεταϋλικά: μαθαίνοντας στο φως καινούργιες διαδρομές Βασίλης Γιαννόπαπας Τμήμα Επιστήμης των Υλικών, Πανεπιστήμιο Πατρών Ημερίδα ΣΥ.ΚΑ.ΦΥ/ Ε.Κ.Φ., Λευκωσία, Κύπρος,

2 Μεταϋλικά: μαθαίνοντας στο φως καινούργιες διαδρομές Ορισμός και ιδιότητες των μεταϋλικών Αρνητικός δείκτης διάθλασης Αντίστροφο φαινόμενο Doppler και αρνητική διάθλασης Τέλειος φακός Μεταϋλικά με αρνητική ηλεκτρική επιδεκτικότητα Μεταϋλικά με αρνητική μαγνητική διαπερατότητα Μεταϋλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης Οπτικές αυταπάτες με μεταϋλικά Μανδύες αορατότητας Διατάξεις μεταμφίεσης αντικειμένων Σφραγίζοντας εξόδους και κοιτώντας μέσα από τοίχους Οπτικές μελανές οπές και υπερ-απορροφητές φωτός

3 Ηλεκτρομαγνητικά κύματα Εξισώσεις Maxwell E H k, E, H k Δεξιόστροφη τριάδα

4 Αρνητικός δείκτης διάθλασης Υλικό με ε<0 και μ<0. Εξισώσεις Maxwell k E H k H E 0 0 k, E, H Αριστερόστροφη τριάδα E k H Όμως: nˆ k E H E H n nˆ c n V G Veselago, Sov. Phys.-Usp 10, 509 (1968).

5 S k E H n nˆ c Διάνυσμα Poynting Αντίρροπα διανύσματα: k S n n 0 0 k1 2 k n1, n2 0 n 0 and n k1 2 k V G Veselago, Sov. Phys.-Usp 10, 509 (1968).

6 Αντίστροφος νόμος Snell: Αρνητική διάθλαση sin n sin n2

7 Αντεστραμμένο φαινόμενο Doppler ' ( k v) Η μετατοπισμένη συχνότητα λόγω φαινομένου Doppler: 2 2 1/ 2 (1 v / c ) k n / c For n=-1: c v c v Η συχνότητα που μετράει ένας ανιχνευτής είναι μικρότερη όταν η πηγή κινείται προς σε αυτόν!

8 Τέλειος φακός

9 Συμβατικός φακός Το ηλεκτρικό πεδίο σε 2Δ ανάπτυγμα Fourier: Μακρινό πεδίο (διαδιδόμενα ΗM κύματα) Κοντινό πεδίο (φθίνοντα ΗΜ κύματα) Διακριτική ικανότητα: Διόρθωση φάσης Εστίαση φωτός

10 Τέλειος φακός Εστίαση του μακρινού πεδίου (διαδιδόμενα ΗΜ κύματα) λόγω αρνητικής διάθλασης και θετικής εμπέδησης Z 0 0 vacuum 0 0 Ενίσχυση του κοντινού πεδίου (φθίνοντα ΗΜ κύματα): T k k c d exp x y

11 Τέλειος φακός vs συμβατικός φακός Συμβατικός φακός Τέλειος φακός N Fang et al., Science 308, 534 (2005)

12 Αρνητικός δείκτης διάθλασης 0, 0, n

13 Μεταϋλικά με αρνητική ηλεκτρική επιδεκτικότητα Για ένα απλό κυβικό πλέγμα (a=5mm) και σύρματα με r=1μm -> ω p =8.2GHz

14 Μεταϋλικά με αρνητική μαγνητική διαπερατότητα Frequency (MHz) Re(μ z ) Im(μ z )

15 Transmittance Metamaterials with negative refractive index Frequency RA Shelby et al., Science 292, 77 (2001).

16 Υλικά αρνητικού δείκτη διάθλασης: από τα μικροκύματα στην οπτική περιοχή WJ Padilla et al., Materials Today 9, 28 (2006).

17 Μεταϋλικό αρνητικού δείκτη διάθλασης Ορθορομβικό πλέγμα συσσωματωμάτων χρυσού (~8nm) Σχέσεις διασποράς μεταϋλικού Διαφανές υλικό (γυαλί) Photon Energy (ev) =1 =3 =4 =5 =8 Re(n eff )>0 Ακτίνα νανοσωματιδίων: 8nm Μέση ακτίνα συσσωματώματος: 43nm k z (nm -1 ) Ανωμαλία Dirac: σχέσεις διασποράς σχετικιστικού σωματιδίου με μηδενική μάζα. Re(n eff )<0 VY and AG Vanakaras, Phys. Rev. B 84, (2011)

18 Οπτικές αυταπάτες: μανδύας αορατότητας Οι παραπάνω μετασχηματισμοί των ε, μ απαιτούν «εξωτικές» τιμές που μόνο με τα μεταϋλικά μπορούν να υλοποιηθούν! H Chen, CT Chan, Ping Sheng, Nat. Mater. 9, 387 (2010)

19 Οπτικές αυταπάτες: μανδύας αορατότητας SA Cummer, PRE 74, (2006) JB Pendry et al., Science 312, 1780 (2006) Μανδύας αορατότητας στην περιοχή των μικροκυμάτων (GHz) Χωρίς μανδύα Με μανδύα D Schurig et al., Science 314, 977 (2006)

20 Οπτικές αυταπάτες: μανδύας αορατότητας Μανδύας αορατότητας στην οπτική περιοχή χρησιμοποιώντας νανοσωματίδια χρυσού. Συχνότητα αορατότητας S Mühlig et al., Phys. Rev. B 83, (2011) S Mühlig et al., ACS Nano 5, 6586 (2011)

21 Ακουστικές αυταπάτες: μανδύας ησυχίας! N. Stenger et al., Phys. Rev. Lett. 108, (2012)

22 Οπτικές αυταπάτες: μεταμφιέζοντας ένα αντικείμενο σε κάποιο άλλο Y Lai et al., Phys. Rev. Lett. 102, (2009)

23 Οπτικές αυταπάτες: κρύβοντας την έξοδο Με μεταϋλικό Χωρίς μεταϋλικό C Li et al., Phys. Rev. Lett. 105, (2010)

24 Οπτικές αυταπάτες: κοιτώντας μέσα από τοίχους Κεραία Τοίχος Διάταξη από μεταϋλικά C Li et al., Phys. Rev. Lett. 105, (2010)

25 Οπτικές μελανές οπές Φλοιός από μεταϋλικό (νανοσύνθετο υλικό υάλου πυριτίου) Απορροφητικός πυρήνας EE Narimanov and AV Kildishev, APL 95, (2009)

26 Οπτικές μελανές οπές Οπτική δίοδος από υγρό κρύσταλλο (LED) Οπτική μαύρη τρύπα από υγρό κρύσταλλο (LED) T.Kallos, V.Y., D.J. Photinos, submitted. Hwang et al., Nat. Mater. 4, 383 (2005) Φωτοβολταϊκές εφαρμογές: αύξηση της απορροφητικότητας έως 130%

27 Μεταϋλικό - υπέρ-απορροφητής φωτός Ορθορομβικό πλέγμα συσσωματωμάτων χρυσού (~8nm) Φάσμα απορρόφησης Πιρυτία (SiO 2 ) Ακτίνα νανοσωματιδίων: 8nm Μέση ακτίνα συσσωματώματος: 43nm Υπερ-απορροφητής ακτινοβολίας: θερμο-φωτοβολταϊκές εφαρμογές. VY and AG Vanakaras, Phys. Rev. B 84, (2011)

28 Με τα μεταϋλικά μπορεί κανείς: Να δημιουργήσει μαγνητισμό από φυσικά υλικά που δεν είναι μαγνητικά Συμπεράσματα Να αναγκάσει το φως να διαθλάται αρνητικά Να δημιουργήσει τέλειους φακούς και μικροσκόπια Να κάνει αντικείμενα αόρατα Να δημιουργεί οπτικές αυταπάτες Να προσομοιώσει μελανές οπές στο εργαστήριο

29 Ευχαριστίες Ευχαριστώ για την προσοχή σας!