Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 27 – vyšlo 6. července, ročník 10 (2012) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

27/2012

Budou amorfní metamateriály technologickým převratem?

Petr Kulhánek

Metamateriály jsou umělé materiály, ve kterých se elektromagnetické vlny šíří jinak než v běžných přírodních látkách. Zatím se metamateriály připravovaly jako umělé periodické struktury složené z mnoha se opakujících prvků, například štěrbinových rezonátorůSRR – Split Ring Resonator, kruhový štěrbinový rezonátor. Základní součástka metamateriálů se zápornou permeabilitou navržená Johnem Pendrym z Imperial College London v roce 1999.. V úzkém frekvenčním pásmu má taková struktura obecně komplexní permeabilituPermeabilita – lineární koeficient úměrnosti mezi magnetickou indukcí a intenzitou. V izotropním a homogenním materiálu jde o jediné číslo, v komplikovanějších materiálech o tenzor (matici) koeficientů. nebo permitivituPermitivita – lineární koeficient úměrnosti mezi elektrickou indukcí a intenzitou. V izotropním a homogenním materiálu jde o jediné číslo, v komplikovanějších materiálech o tenzor (matici) koeficientů., často se zápornou reálnou částí, což může vést na záporný index lomuIndex lomu – absolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu. a velmi atypické šíření elektromagnetické vlny. Příprava takových struktur je mimořádně náročná a drahá a exotické chování nastává jen ve velmi malé oblasti frekvencí. Se snižující se velikostí opakujících se prvků bylo možné tyto atypické vlastnosti pozorovat až v blízkosti optického oboru. V Aldebaran Bulletinu jsme pravidelně o pokroku v těchto technologiích budoucnosti referovali (viz AB 29/2010, AB 20/2009, AB 13/2007, AB 16/2006 a AB 49/2004). V posledních dvou letech vyvinula skupina odborníků z Oregonské státní univerzity převratný způsob přípravy metamateriálů. Jde o střídající se nanovrstvy amorfní kovové slitiny a nevodivého oxidu (skla). Dnes již patentovaná technologie má mnoho předností. Především je příprava vzorku mimořádně levná a lze vyrobit i vzorky větších rozměrů (decimetry). Tloušťka jednotlivých vrstev dosahuje řádově deset nanometrů, a proto vzorky vykazují metamateriálové vlastnosti v optickém oboru. Navíc mají vzorky oblast atypické permitivity a permeability v širokém pásmu vlnových délek, nejen v úzké rezonanční oblasti, jako tomu je u štěrbinových rezonátorů. Množství aplikací levně připravených metamateriálů může být značné.

Vrstvený metamateriál. Zdroj: OSU.

Metamateriál – umělá struktura, která se v přírodě nevyskytuje a vykazuje atypické elektrické, magnetické a akustické vlastnosti, například permitivitu, permeabilitu, index lomu, akustickou propustnost a další. Vlastnosti metamateriálů bývají zpravidla silně závislé na frekvenci, takže výhodné vlastnosti pro určité technologie existují jen v úzkém pásmu frekvencí. DN-NIM – Double Negative - Negative Index Metamaterial. Metamateriál, který má zápornou permitivitu i permeabilitu. Někdy se označuje jako LH materiál; označení LH (Left Handed) znamená, že vektory k, E, B zde tvoří levotočivou ortogonální soustavu (v izotropním prostředí). SN-NIM – Single Negative - Negative Index Metamaterial. Metamateriál, který má buď zápornou permitivitu anebo permeabilitu (nemá záporné obě veličiny současně). Index lomu – absolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu.

Příprava nanolaminátu

Standardně se tenké vrstvy připravují plazmovým naprašováním. PlazmaPlazma – kvazineutrální soubor nabitých a neutrálních částic, který vykazuje kolektivní chování. Lidsky to znamená, že se v dané látce nachází elektricky nabité částice. Kladné a záporné náboje se navzájem kompenzují, takže celek je elektricky neutrální. Částice jsou schopné reagovat na elektrická a magne­tická pole jako celek. Plazma vzniká odtržením elektronů z elektric­ké­ho obalu atomárního plynu nebo ionizací molekul. S plazmatem se můžeme setkat v elektrických výbojích (blesky, jiskry, zářivky), v polárních zářích, ve hvězdách, ve slunečním větru a v mlhovinách. Pro plazma jsou typické silně nelineární jevy a nestability. Přes 99 % atomární látky ve vesmíru je v plazmatickém skupenství. (zpravidla vytvořené inertním plynem, například argonemArgon – prvek patřící mezi vzácné plyny, které tvoří necelé 1 % zemské atmosféry. Jde o nereaktivní bezbarvý plyn bez chuti a zápachu. Objev argonu je oficiálně připisován lordu Rayleighovi a Williamu Ramsayovi, kteří ho detekovali roku 1894. Jako inertní atmosféra se využívá v metalurgii, při balení potravin, v plazmových technologiích i ve výbojkách.) vytrhává atomy z kovového terče, který tvoří katodu. Na anodě je připevněna podkladová vrstva, na kterou se kov pomalu nanáší. Rychlost nanášení je možné řídit tlakem ve výbojové komoře. K výhodám této metody patří zejména vynikající přilnavost, homogenita vrstvy a možnost kontroly krystalografického uspořádání ve vrstvě. Tým z OSUOSU – Oregonská státní univerzita, výzkumná univerzita ve Spojených státech, která byla zalořena v roce 1868. Od založení univerzity ji vystudovalo přes 200 000 studentů, kteří získali tituly v dvoustech udělovaných oborech. Na univerzitě studuje 25 000 studentů a je zde zaměstnáno 3 000 akademických pracovníků. (William Cowell, Nicholas Kuhta a Chris Knutson) využil plazmové naprašování pro vytvoření kovové amorfní nanovrstvy na základní vrstvě. Tloušťka kovové nanovrstvy byla řádově deset nanometrů, jako kovovou slitinu v experimentech používali buď TiAl₃, nebo ZrCuAlNi. Na první kovovou vrstvu nanesli další oxidovou vrstvu zcela odlišnou metodou SSCSSC – Solution Spin Coating, jedna z mnoha metod nanášení tenkých vrstev. Nanášená látka je součástí roztoku. Podkladová vrstva rotuje a odstředivou silou je řízena tloušťka roztoku nanášeného na substrát. (Solution Spin Coating). Byl zvolen oxid rozpustný ve vodě a ten byl nanesen na rotující podklad. Při rotaci vzniká odstředivá síla, která nanášený roztok žene radiálním směrem pryč z podkladu. Rychlostí otáčení lze tak kontrolovat tlušťku nanášené vrstvy. Rozpouštědlo se v průběhu nanášení odpařuje, a tak je výsledkem pevná oxidová nanovrstva (podobná sklu). Postup se dále opakuje a střídavě se oběma metodami nanáší amorfní kovové nanovrstvy střídané nanovrstvami z oxidu. Vznikne vzorek, kterému autoři říkají nanolaminát. Tento metamateriál má jiné chování ve směru vrstev (permitivitu ε_xy) a jiné kolmo na vrstvy (permitivitu (ε_z). Pro elektromagnetické vlnění má silně anizotropní vlastnosti a procházející elektromagnetická vlna se z hlediska běžných materiálů chová zcela neobvykle – například vlnový vektorVlnový vektor – prostorová změna fáze vlnění. Složky vlnového vektoru získáme jako prostorové derivace fáze vlnění. Pro monochromatickou vlnu je velikost vlnového vektoru rovna 2π/λ. Vlnový vektor míří ve směru pohybu vlnění. k (míří ve směru šíření vlny) má opačný směr než Poyntingův vektorPoyntingův vektor – vektor toku energie, S = E×H, jednotkou je W/m². S (míří ve směru šíření energie). Toto atypické chování je naznačeno na úvodním obrázku, který se stal jakýmsi logem výzkumné skupiny z Oregonské státní univerzity.

Fotografie vytvořeného nanolaminátu z elektronového mikroskopu TEMTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů.. Zobrazené jsou střídající se vrstvy amorfní kovové slitiny TiAl₃ (tmavé proužky) a oxidu AlPO (Aqueous soLution Processed Oxide, světlé proužky). Zdroj: OSU.

Vlastnosti nanolaminátu

Vzniklý nanolaminát má silně anizotropní chování. Dielektrická permitivitaPermitivita – lineární koeficient úměrnosti mezi elektrickou indukcí a intenzitou. V izotropním a homogenním materiálu jde o jediné číslo, v komplikovanějších materiálech o tenzor (matici) koeficientů. je jiná podál vrstev (ε_xy) a jiná kolmo na ně (ε_z). Reálná část permitivity má v některých oblastech zápornou hodnotu, což vede na záporný index lomuIndex lomu – absolutní index lomu je v homogenním izotropním prostředí bez disperze definován jako podíl rychlosti světla a fázové rychlosti. Obecně je index lomu komplexní veličina závislá na frekvenci, v případě anizotropního prostředí tenzorová. Frekvenční závislost reálné části popisuje disperzi v daném prostředí. Imaginární část indexu lomu popisuje (v závislosti na znaménku) absorpci nebo zesílení světla. Relativní index lomu je dán poměrem indexů lomu prostředí, do kterého záření vstupuje vůči indexu lomu prostředí, z něhož záření vychází. Na rozhraní dvou prostředí je relativní index lomu roven podílu sinu úhlu dopadu a sinu úhlu lomu (Snellův zákon). Uvozující přídavné jméno (absolutní nebo relativní) se často vypouští, takže zda se jedná o absolutní či relativní index lomu poznáme pouze z kontextu.. Obecně můžeme chování látky při průchodu elektromagnetické vlny rozdělit do tří typů: 1) izotropní (sférická disperzeDisperze – závislost rychlosti vlny na vlnové délce. Pokud se vlny různých vlnových délek šíří daným prostředím různě rychle, dochází k postupné změně tvaru vlnového balíku.), 2) anizotropní eliptická disperze a 3) anizotropní hyperbolická disperze. Právě při hyperbolické disperzi je index lomu v některém směru záporný a směr šíření vlny je opačný než směr šíření energie. Prohlédněte si závěrečnou animaci, pomocí které pochopíte, co znamená opačný směr šíření vlny, než je směr toku energie. Skupina z OSUOSU – Oregonská státní univerzita, výzkumná univerzita ve Spojených státech, která byla zalořena v roce 1868. Od založení univerzity ji vystudovalo přes 200 000 studentů, kteří získali tituly v dvoustech udělovaných oborech. Na univerzitě studuje 25 000 studentů a je zde zaměstnáno 3 000 akademických pracovníků. pečlivě proměřovala odrazivost a propustnost samostatných vrstev i střídajících se vrstev amorfní slitiny kovu a oxidu, permitivitu ve směru kolmém na vrstvy i podél nich. Některé vzorky vykazovaly záporný index lomu ve velmi široké oblasti vlnových délek. To je pro budoucí technologie nesmírně slibné, neboť dosavadní vzorky připravené ze štěrbinových rezonátorůSRR – Split Ring Resonator, kruhový štěrbinový rezonátor. Základní součástka metamateriálů se zápornou permeabilitou navržená Johnem Pendrym z Imperial College London v roce 1999. měly metamateriálové chování jen v úzkých rezonančních pásech.

Reálná část permitivity vzorků složených z deseti vrstev (8 nm ZrCuAlNi + 8 nm AlPO) nebo z deseti vrstev (4,37 nm TaAl₃ + 11,3 nm AlPO). Ve žlutě označené oblasti je reálná část indexu lomu nanolaminátu záporná.

V levém sloupci je zobrazeno chování izotropního materiálu. V horní polovině je patrné, že vlnový vektorVlnový vektor – prostorová změna fáze vlnění. Složky vlnového vektoru získáme jako prostorové derivace fáze vlnění. Pro monochromatickou vlnu je velikost vlnového vektoru rovna 2π/λ. Vlnový vektor míří ve směru pohybu vlnění. k míří ve stejném směru jako tok energiePoyntingův vektor – vektor toku energie, S = E×H, jednotkou je W/m². S. V dolní polovině jsou možné projekce vlnového vektoru. Leží na kružnici, což znamená, že vlnový vektor má ve všech směrech stejnou velikost (při dané frekvenci vlnění). V prostředním sloupci je anizotropní prostředí, permitivita je podél vrstev jiná než kolmo na ně, ale v obou případech má kladnou reálnou část. Vlnový vektor nemíří přesně ve směru toku energie a jeho koncový bod opisuje v grafu možných projekcí elipsu. Ve třetím sloupci je metamateriál, u kterého je reálná část permitivity podél vrstev záporná. Vlnový vektor k míří v opačném směru než tok energie S (vlna se šíří obráceně, než teče energie!) a koncový bod vlnového vektoru v grafu složek leží na hyperbole (disperzní relace má tvar c²(ak_x² + bk_y²) = ω², kde jeden z koeficientů a, b je kladný a druhý záporný (standardní disperzní relace je c²(k_x² + k_y²) = ω²).

Využití metamateriálů

Využití levných nanolaminátů s metamateriálovými vlastnostmi může být velmi široké. Především mohou posloužit ke konstrukci Veselagovy čočkyVeselagova čočka – planparalelní destička se záporným indexem lomu, zobrazuje bod na bod. Teoreticky se jako první zabýval hypotetickým prostředím se záporným indexem lomu Victor Veselago v roce 1968., která je rovinná a přitom fokusuje světlo jako běžná broušená čočka. Jinou možností jsou hyperčočky, které půjde vytvořit ze stočeného nanolaminátu. Do vzniklé dutiny se dá malý předmět, který po osvětlení světlem bude možné zobrazit za pomoci evanescentní vlnyEvanescentní vlna – elektromagnetická vlna na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi. Šíří se podél rozhraní a kolmo na rozhraní ubývá exponenciálně. Z hlediska řešení vlnových rovnic jde o pole krátkého dosahu, které zajišťuje spojitost normálových složek polí. Vzniká při průchodu světla rozhraním, nejznámější je situace při úplném odrazu. Obdobná vlna vzniká i při šíření zvuku. vytvořené stočeným nanolaminátem. Evanescentní vlna se poté sleduje běžnou čočkou. Metodou lze zobrazit i předměty s menší vlnovou délkou, než má použité světlo (u hyperčoček neplatí, že rozlišovací schopnost je dána ohybovou limitou; podrobně je tato metoda popsána v AB 20/2009). Metamateriály mohou posloužit jako neviditelný plášť, který skryje předmět schovaný uvnitř. Světelné paprsky se odkloní tak, že ukrytý předmět zůstane neviditelný (AB 20/2009). Metamateriály mohou fungovat jako pásmové filtry, sloužit k ukládání dat, ke konstrukci vysokorychlostních optoelektronických a fotonickýchFotonika – věda zabývající se vznikem a využitím světla jako nosiče informace. zařízení, k výrobě nejrůznějších biosenzorů nového typu, a především k výzkumu dosud nepoznaných fyzikálních jevů. Aplikační možnosti levných metamateriálů znamenají neskutečný potenciál pro budoucí špičkové technologie.

Klip týdne: Válcová vlna v metamateriálu

Válcová vlna v metamateriálu. V animaci vidíte počítačovou simulaci šíření válcové vlny na rozhraní dvou prostředí (rozhraní je zobrazeno bílou čarou). V levé části je prostředí s indexem lomu +1, ve kterém je generována válcová vlna. Ta se šíří přes rozhraní do druhého prostředí, které má v první části klipu index lomu +2 a dochází tedy k běžnému lomu na rozhraní. V druhé části klipu je napravo prostředí s indexem lomu −2. Válcová vlna se šíří do metamateriálu se záporným indexem lomu a přirozeným způsobem je fokusována. Toho se využívá u tzv. Veselagovy čočky. Povšimněte si, že směr šíření vlny je opačný než směr šíření energie. Zdroj: CERN. (mp4, 4 MB)

Odkazy