Архивы Трехмерный метаматериал - Проект «Россия. 1000 поводов для гордости»

социальный Проект

Трехмерный метаматериал

Трехмерный метаматериал — уникальная разработка российских ученых, представленная в 2017 году. Эта не имеющая аналогов в мире композиционная структура способна управлять распространением света и электромагнитными волнами без потери энергии. 

Созданное вещество схоже по своим свойствам с трудно обнаруживаемыми аксионами, предполагаемыми частицами темной материи, изучение которой способно пролить свет на многие тайны Вселенной. Открытие трехмерного метаматериала может иметь огромное значение для нашего понимания фундаментальных законов природы, физики. Оно позволит исследовать такие явления, как плазмоника и метаоптика, а также метаматериалы с отрицательным показателем преломления.

В дальнейшем технологии, основанные на трехмерных метаматериалах, могут быть использованы в новейших солнечных батареях, применяться при разработке передовой оптической электроники и открыть для всего мира новые горизонты в решении проблем теоретической физики.

Краткая информация

Университет ИТМО Санкт-Петербурга
Университет ИТМО Санкт-Петербурга. Фото: wikipedia.org

В 2017 году российские ученые из университета ИТМО в Санкт-Петербурге сделали значительный прорыв в области разработки метаматериалов. Они создали композитный трехмерный метаматериал, способный управлять распространением света и электромагнитных волн без потери энергии. Это открытие имеет огромный потенциал для различных научных и технических сфер деятельности.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ
Метаматериалы — это искусственно созданные материалы, обладающие уникальными оптическими, электромагнитными и акустическими свойствами. Благодаря сложной геометрии и дизайну, метаматериалы способны искажать, преломлять и отражать электромагнитные волны по своему усмотрению. Это позволяет создавать материалы, обладающие невероятными свойствами, такими как отрицательный показатель преломления или обратные фазы волн.

Особенностью нового метаматериала является его структура, состоящая из разных частей. Поверхность материала проводит ток, в то время как внутренняя структура его изолирует. Такое сочетание свойств позволяет управлять прохождением света и электромагнитных волн через материал.

Ученые из ИТМО создали этот метаматериал с целью тестирования свойств аксионов — кандидатов на роль частицы темной материи. Аксионы являются гипотетическими элементарными частицами, которые до сих пор не были обнаружены экспериментально. Они являются перспективным объектом изучения физики элементарных частиц. Данные нейтральные бозоны являются одной из самых перспективных ключевых кандидатов на роль темной материи в нашей Вселенной. Доказательство существования аксионов помогло бы объяснить “темные пятна” в современной физике и расширить наше понимание фундаментальных взаимодействий.

Не имеющая аналогов в мире композиционная структура способна управлять распространением света и электромагнитными волнами без потери энергии
Не имеющая аналогов в мире композиционная структура способна управлять распространением света и электромагнитными волнами без потери энергии. Фото: wikimedia.org

Теория аксионов была предложена в 1977 году американскими физиками Робертом Пенния и Фрэнком Вилчеком в контексте решения проблемы сильного взаимодействия. По своей природе аксионы являются псевдоскалярными частицами (их взаимодействия подчиняются особенным правилам, в частности определенным симметрией четности), которые взаимодействуют очень слабо с обычным веществом и электромагнитным полем.

Одна из ключевых особенностей аксионов – их малая масса. Они являются одними из самых легких частиц, их масса может быть в несколько раз меньше массы электрона. Благодаря своей низкой массе и слабому взаимодействию, аксионы обладают длинным радиусом действия, что позволяет им находиться на огромных расстояниях от источников.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ
Работа ученых из ИТМО была поддержана Российским научным фондом и программой развития ИТМО “Приоритет 2030”. Это подтверждает важность и перспективность данного исследования в научном сообществе.

Мировое значение российских разработок

В дальнейшем технологии, основанные на трехмерных метаматериалах, могут найти широчайшее применение
В дальнейшем технологии, основанные на трехмерных метаматериалах, могут найти широчайшее применение. Фото: Sgnuskov\wikimedia.org CC BY 4.0

Метаматериал, созданный учеными, позволяет управлять аксионным откликом, что невозможно в природных материалах. Он состоит из слоев с известными магнитными и оптическими характеристиками, которые можно настраивать для достижения желаемых эффектов.Это открытие предоставляет ученым всего мира широкие возможности для тестирования известных эффектов фундаментальной физики. Метаматериалы могут быть использованы для исследования различных явлений, в таких областях, как плазмоника, метаоптика и еще множество перспективных научных направлений.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ
Плазмоника – это наука о возбуждении и взаимодействии плазмонов, коллективных колебаний электронов в металлах или полупроводниках. Плазмоны обладают свойствами электромагнитных волн, но с масштабами, значительно меньшими длины волны света. Это позволяет использовать плазмоны для контроля и манипуляции светом на микро- и наноуровнях. Плазмоника находит применение в различных областях, таких как оптические технологии, наноэлектроника, фотоника, медицина и даже катализ.

Еще одной интересной областью, которую исследуют с использованием метаматериалов, являются материалы с отрицательным показателем преломления. Такие материалы позволяют создавать уникальные эффекты, такие как обратное распространение света или светопоглощение на высоких частотах. Это может быть полезно для всего мира и применимо для разработки ультрачувствительных сенсоров и оптических устройств, работающих в экстремальных условиях.

Метаматериалы также могут найти применение в оптической электронике. Их способность управлять светом позволяет создавать более эффективные оптические устройства, такие как метааттенюаторы и метаобъективы, которые могут использоваться в качестве компонентов для оптических систем связи и обработки информации. Точность настройки оптических свойств метаматериалов открывает новые возможности для миниатюризации и улучшения производительности оптических устройств.

ИНТЕРЕСНЫЙ ФАКТ
Метаоптика – это сравнительно новая область науки, изучающая свет и его взаимодействие с материей на метаатомном (т.е. наноразмерном) уровне. Она основывается на разработке и использовании метаматериалов.

Метаматериалы могут быть применены в солнечных батареях. Путем оптимизации оптических свойств материала, можно увеличить эффективность поглощения солнечной энергии и, таким образом, увеличить выходную мощность солнечных батарей. Это может способствовать развитию более эффективных методов использования возобновляемой энергии.

Популярные вопросы

Вопрос: Как метаматериалы могут применяться при создании солнечных батарей?

Ответ: Путем работы с оптическими свойствами метаматериала, можно повысить эффективность поглощения солнечной энергии, что даст увеличение мощности солнечных батарей.

Вопрос: Ученые какой организации первым разработали трехмерный метаматериал?

Ответ: Учеными из университета ИТМО в Санкт-Петербурге.