الرئيسيةعريقبحث

تاريخ الميتاماتريال

☰ جدول المحتويات

الميتاماتريال التي تنتج مؤشر إنكسار سلبى. تتكون مجموعتة من 3 × 20 × 20 وحدة الخلايا مع مقاييس عامة من 10 × 100 × 100 ملم.

'تاريخ المواد الميتاماتيريال يبدأ عقب تطوير العوازل الصناعية في هندسة الميكروويف لأنها وضعت بعد تاريخ الرادار في الحرب العالمية الثانية . وبالإضافة إلى ذلك، هناك استكشافات عديدة من المواد الاصطناعية لمعالجة الموجات الكهرومغناطيسية في نهاية القرن 19th. وبالتالي، فإن التاريخ يتعلق بما وارء ذلك هو في جوهره تاريخ تطوير أنواع معينة من المواد المصنعة، التي تتفاعل في تردد الراديو، الميكروويف، وفيما بعد الترددات الضوئية .[1][2]

حيث أن علم المواد قد أحرز تقدما، فقد تم استبدال الفوتونات الضوئية المادية محل الإلكترونات على اعتبار أن فوتون الناتجة من ضوء باعتبارها الناقل الأساسي للمعلومات. وبالتالي، بشرت الأبحاث المذكورة آنفا في الكريستال الضوئية و دليل على مبدأ الميتاماتريال مع معامل إنكسار سلبى. حدث هذا أولا في نطاق الميكروويف في بداية الألفية الجديدة. وأعقب ذلك الوصول إلى دليل لمبدأ الحجب باستخدام المواد الفوقية (بجعل الكائن محاطا بدرع يحفظه من الرؤية)، أيضا في نطاق الموجات الدقيقة، بعد ست سنوات حول.[3] ومع ذلك، فإمكانية أن عباءة إخفاء الكائنات عبر كامل الطيف الكهرومغناطيسي لا يزال بعيدا ويحتاج عقود. العديد من مشاكل الفيزياء و الهندسة مازالت تحتاج إلى حلول.

ومع ذلك، مواد الانكسار السلبي أدت إلى تطوير هوائيات المواد الفوقية و عدسة الميكروويف المواد الفوقية وفاق إن نظم هوائيات لاسلكية مصغرة التي هي أكثر كفاءة من نظيراتها التقليدية. أيضا، فإن الهوائيات للمواد الفوقية الميتاماتريال الآن متاحة تجاريا. وفي الوقت نفسه، التركيز تحت الطول الموجى مع العدسات الفائقة هو أيضا جزء من الأبحاث في الوقت الحاضر التي تتعلق بالمواد الفوقية.[3]

الدراسات المبكرة للموجات

يمكن أن نتصور الموجات الكهرومغناطيسية بوصفها نشر موجات ذاتية التأرجح عرضيا من المجالات الكهربائية والمغناطيسية. يبين هذا الرسم البياني مستوى استقطاب خطي EM موجة تنتشر من اليسار إلى اليمين. الحقل الكهربائي في المستوى العمودي والمجال المغناطيسي في مستوى أفقي. هذين النوعين من الحقول في موجات EMR هي دائما في مرحلة مع بعضها البعض.

إن تاريخ المواد الفوقية يمكن أن يشتمل على نقاط مبدأية عديدة تعتمد على خصائص مثيرة للاهتمام المتعلقة مبكرا ب دراسة الموجات بدأت في عام 1904 واستمرت من خلال أكثر من نصف الجزء الأول من القرن العشرين.هذا البحث المبكر اشتمل على العلاقة من سرعة الطور إلى سرعة المجموعة والعلاقة بين موجة ناقلات و مؤشر الناقلات.[4][5][6]

في عام 1904 فإن إمكانية سرعة الطور السلبية مصحوبة ب مضاد التوازى (رياضيات) كانت سرعة المجموعة قد تم ملاحظتها بواسطة (كتاب هوراس لامب  : ديناميكا السوائل) و (كتاب آرثر شوستر : مقدمة إلى علم البصريات). ولكن كل من الفكر العملي لتحقيق هذه الظاهرة غير ممكن. في عام 1945 ليونيد ماندلستام (أيضا "Mandel'shtam") درس المرحلة المضادة للالموازية ووتم التقدم للمجموعة بمزيد من التفاصيل. ويلاحظ أيضا أنه درس الخصائص الكهرومغناطيسية للمواد التي تتميز بخاصية الانكسار السلبى، وكذلك لأول مرة مفهوم اليد اليسرى المتوسطة. وشملت هذه الدراسات السلبية سرعة المجموعة. وذكر أن مثل هذه الظواهر تحدث في الكريستالات الشعرية. يجوز هذا يعتبر هاما لأن الميتاماتيريال هي من صنع الإنسان الكريستال شعرية (هيكل).[4][5][7][8] في عام 1905 H. C Pocklington درس أيضا بعض الآثار المتعلقة بسرعة المجموعة السلبية.[9]

V.E. Pafomov (1959)، وفيما بعد عدة سنوات، وفريق البحث VM Agranovich وV.L. ذكر غينسبورغ (1966) وrepurcussions من السماحية السلبية، و نفاذية السلبية وسرعة المجموعة، في دراستهم للبلورات و أكسيتونs.[4][5]

في عام 1967 يبدو أن ورقة VG Veselago قد بلورت النظرية إلى أبعد من ذلك. إدراك هذه الظواهر كان من الممكن لكنه يفتقر إلى المواد اللازمة لإنتاج نموذج عملي. لم يكن حتى عام 1990 أن المواد والقدرة الحاسوبية أصبحت متاحة لإنتاج الهياكل الضرورية بشكل مصطنع. Veselago توقع أيضا أن عددا من الظواهر الكهرومغناطيسية التي يمكن عكسها بما في ذلك معامل الانكسار.

وبالإضافة إلى ذلك، كان له الفضل بأن سك مصطلح "مواد اليد اليسرى" للمواد التي تظهر سلوكا مضادا للتوازى في يومنا هذاللموجات الناقلة وغيرها من المجالات الكهرومغناطيسية. وعلاوة على ذلك، أشار إلى أن المواد التي كان يدرسها كانت مادة مزدوجة السلبية كما تسمى بعض المواد الميتا هذه الأيام. في عام 1968 ترجم ونشر ورقته باللغة الإنجليزية.[6][10]

لا تزال في وقت لاحق، التطورات في طباعة حجرية نانوية و التصوير subwavelength وتلك تقنيات تجري الآن في هذا العمل موجات الضوئية.[11]

الأوساط الكهرومغناطيسية المبكرة

جاگديش چاندرا بوسه

جاگديش چاندرا بوسه كان عالما اشترك في أبحاث الميكروويف الأصلية خلال عام 1890 . وكان أستاذا محكما في الفيزياء في كلية الرئاسة ، كولكاتا وهو نفسهكان مشاركا فىالتجارب المعملية والدراسات التي تنطوي على الانكسار ، الحيود و الاستقطاب (موجات)، وكذلك أجهزة الإرسال وأجهزة الاستقبال ومكونات الميكروويف المختلفة.[12][13]

وسائط التماكب الضوئي في وقت مبكر

في عام 1898، أجرى جاگديش چاندرا بوسه أول الميكروويف تجربة على الهياكل الملتوية. هذه الهياكل الملتوية تطابق هندستها التي تعرف باسم اصطناعية وسائط تماكب ضوئي في مصطلحات اليوم. وبحلول ذلك الوقت، كان قد بحث أيضا الانكسار المزدوج (الانكسار) في البلورات. وشملت البحوث الأخرى الاستقطاب (موجات) من الحقل الكهربائي "موجات" التي تنتج بلورات. اكتشف هذا النوع من الاستقطاب في المواد الأخرى بما في ذلك فئة من العوازل .[2][12][14]

العوازل الإصطناعية في القرن العشرين

هذا "العدسة"تقوم بتحويل المدخلات الكروية لأشعة الميكروويف إلى خطوط موازية (موازى) في اتجاه معين في الجانب الخروج من ميكروويف عدسة. ويتم إنجاز العمل التركيز للعدسة من قبل الصفات الأنكسار من الشريط المعدني.

الكثير من البحوث التاريخية المتعلقة بالميتاماتريال توزن من وجهة نظر تشكيل حزمة الهوائي داخل هندسة الميكروويف بعد الحرب العالمية الثانية. وعلاوة على ذلك، فإن الميتاماتريال يتعلق وتبدو مرتبطة تاريخيا بكيان البحوث المتعلقة بالعوازل الصناعية في جميع أنحاء أواخر 1940، 1950 و 1960 حيث كان الاستخدام الأكثر شيوعا للعوازل الصناعية على مدى عقود قبل في الميكروويف النظام الهوائي لتشكيل الحزم الموجية. وقد اقترحت العوازل الصناعية لأنها من حيث التكلفة "أداة" منخفضة وخفيفة الوزن والبحث عن العوازل الصناعية، وغيرها من يتعلق بالميتاماتريال لا تزال جارية لأجزاء من الطيف الكهرومغناطيسي .[1][15][16][17]

البنى الفوتونية

ظهرت الكلمة "الضوئيات" في أواخر 1960 لوصف حقل البحث الذي كان هدفه استخدام الضوء لأداء مهام التي عادة ما تقع ضمن نطاق من الأجهزة الإلكترونية النموذجية، مثل معالجة المعلومات والاتصالات، من بين العمليات الأخرى .[18] مصطلح الضوئيات أكثر تحديدا ضمنا:

  • الخصائص الجسيمية للضوء.
  • القدرة على خلق تكنولوجيات المعالجة باستخدام جهاز إشارة الفوتونات،
  • والتطبيق العملي للبصريات،
  • مرادف لالالكترونيات [18]

ظواهر استثنائية

اختراع الميتاماتريال

تاريخيا، وتقليديا، فإن وظيفة أو سلوك المواد يمكن تغييرها من خلال سلوكها الكيمياءى. منذ فترة طويلة كان هذا معروفا. على سبيل المثال، إضافة الرصاص لتغيير لون أو صلابة زجاج. ومع ذلك، في نهاية القرن 20th تم توسيع هذا الوصف من قبل جون بندري ، وهو فيزيائى من امبريال كوليدج في لندن.[19] في 1990 كان قد عمل استشاريا لشركة بريطانية، ماركوني لتكنولوجيا المواد ، باعتباره خبيرا المادة المكثفة والفيزياء . صنعت الشركة تكنولوجيا الشبح مصنوعة من الكربون الذي يمتص الإشعاع الذي كرس للسفن الحربية . ومع ذلك، فإن الشركة لم تفهم الفيزياء وكيف تتحكم في المادة. وطلبت من الشركة بندري إذا كان يمكن فهم كيفية عمل المواد.[19]

بصريات التحويل

The original theoretical papers on cloaking opened a new science discipline called transformation optics.[20][21]

انظر أيضاً

مراجع

  1. Ikonen, Pekka. "Artificial Dielectrics and Magnetics in Microwave Engineering: A Brief Historical Revisit" ( كتاب إلكتروني PDF ). Helsinki University of Technology. مؤرشف من الأصل ( كتاب إلكتروني PDF ) في 27 يوليو 201128 فبراير 2011.
    • The estimated year of publication (based on this article's references) is 2005.
    • Quote from abstract: "The number of proposals for practical microwave and optical applications benefiting from the properties of [novel materials] is increasing rapidly. However, the utilization of artificial materials in microwave engineering is not a new concept. The purpose of this short report is to revisit some of the most important early contributions that have led to the utilization of artificial dielectrics and magnetics in microwave applications."
  2. Engheta, Nader (2006-06). [[Metamaterials: physics and engineering explorations]]. Wiley & Sons. صفحات 5, Chap 1.  . مؤرشف من الأصل في 24 يناير 2020.
  3. Summary of milestones in metamaterial research. There is also a list of peer reviewed articles pertaining to the research achievements of the Smith Group. "Professor David R. Smith, Publications". The electromagnetic properties of artificially structured materials. Duke University – Meta Group. July 13, 2009. مؤرشف من الأصل في 06 ديسمبر 201628 فبراير 2011.
  4. Klar, Thomas A.; Kildishev, Alexander V.; Drachev, Vladimir P.; Shalaev, Vladimir M. (2006). "Negative-Index Metamaterials: Going Optical" . IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 12 (6): 1106. doi:10.1109/JSTQE.2006.880597.
  5. Marklund, Mattias; Shukla, Padma K.; Stenflo, Lennart; Brodin, Gert (1970). "Solitons and decoherence in left-handed metamaterials". Physics Letters A . 341: 231. arXiv: . Bibcode:2005PhLA..341..231M. doi:10.1016/j.physleta.2005.04.068. (PDF is self-published version.)
  6. Pendry, John B.; Smith, David R. (2004). "Reversing Light with Negative Refraction" ( كتاب إلكتروني PDF ). Physics Today. 57 (6): 37. Bibcode:2004PhT....57f..37P. doi:10.1063/1.1784272. مؤرشف من الأصل في 29 سبتمبر 2013.
  7. Early wave studies
    • [1] H. Lamb, "On group-velocity," Proc. Lond. Math. Soc., vol. 1, pp. 473-479, 1904.
    • [2] A. Schuster, An Introduction to the Theory of Optics. p. 313–318 ;London: Edward Arnold, 1904. Archived in public domain and the online full text is linked to the Internet Archive. The Public domain full Text 1909 edition is here
    • [3] L. I. Mandel'shtam, "Group velocity in a crystal lattice" , Zh. Eksp. Teor. Fiz., Vol. 15 (1945), pp. 475-478 (Also see - Key: citeulike:4130476) Free PDF download
    • [4] L.I. Mandelstam, The 4th Lecture of L.I. Mandelstam given at Moscow State University (05/05/1944), Collection of Scientific Works, Vol. 2 (1994) Nauka, Moscow (in Russian).
    • [5] V. E. Pafomov, Sov. Phys. JETP 36 1321 (1959).
    • [6] V. G. Veselago, "The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ," Soviet Physics Uspekhi, vol. 10, no. 4, pp. 509-514, January–February, 1968 نسخة محفوظة 07 يونيو 2016 على موقع واي باك مشين.
  8. Kourakis, I; Shukla, P K (2006). "I Kourakis and P K Shukla 2006 Phys. Scr. 74 422". Physica Scripta. 74 (4): 422. Bibcode:2006PhyS...74..422K. doi:10.1088/0031-8949/74/4/003.
  9. H. C Pocklington, "Growth of a Wave-group when the Group-velocity is Negative" Nature 71, 607-608 (27 April 1905) doi=10.1038/071607b0 - تصفح: نسخة محفوظة 09 أغسطس 2017 على موقع واي باك مشين.
  10. Veselago, V.G. (1968). "The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of [permittivity] and [permeability]". Soviet Physics Uspekhi. 10 (4): 509–14. Bibcode:1968SvPhU..10..509V. doi:10.1070/PU1968v010n04ABEH003699.
  11. Shalaev, V.M. "Optical negative-index metamaterials," Nature Photonics Vol. 1, 41 - 48 (2007) Shalaev, Vladimir M. (2007). "Optical negative-index metamaterials". Nature Photonics. 1: 41. Bibcode:2007NaPho...1...41S. doi:10.1038/nphoton.2006.49. Novel materials and engineered structures
  12. Emerson, D.T. (1997). The work of Jagadis Chandra Bose: 100 years of mm-wave research. vol. 2. صفحة 553. Bibcode:1997imsd.conf..553E. doi:10.1109/MWSYM.1997.602853. مؤرشف من الأصل في 20 مارس 2012. Microwave Symposium Digest. 1997. IEEE MTT-S International. Issue Date: 8–13 June 1997. pp. 553–556 (ردمك ).
  13. Bose’s horn operated in the millimetre wave range. IN Compliance. Magazine article. November 2010. نسخة محفوظة 4 مارس 2016 على موقع واي باك مشين.
  14. Bose, Jagadis Chunder (1898). "On the Rotation of Plane of Polarisation of Electric Waves by a Twisted Structure". Proceedings of the Royal Society of London (1854–1905). 63: 146. doi:10.1098/rspl.1898.0019. JSTOR 115973.
  15. Eleftheriades, George V. (July 2005). Negative-refraction metamaterials: fundamental principles and applications. جون وايلي وأولاده -معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات. صفحات v, xiii, xiv, 4–7, 12, 46–48, 53.  .
  16. Wenshan, Cai (November 2009). Optical Metamaterials: Fundamentals and Applications. Springer. صفحات xi, 3, 8, 9, 59, 74.  .
  17. Eleftheriades, George V. (2009). "EM Transmission-line Metamaterials" ( كتاب إلكتروني PDF ). Materials Today. 12 (3): 30–41. doi:10.1016/S1369-7021(09)70073-2. مؤرشف من الأصل في 3 مارس 2016. ...In this article, we review the fundamentals of metamaterials with emphasis on negative-refractive-index ones, which are synthesized using loaded transmission lines. A number of applications of such metamaterials are discussed, including peculiar lenses that can overcome the diffraction limit and small antennas for emerging wireless communication applications.
  18. Taton, T. Andrew; Norris, David J. (2002). "Device physics: Defective promise in photonics" ( كتاب إلكتروني PDF ). Nature. 416 (6882): 685–86. Bibcode:2002Natur.416..685T. doi:10.1038/416685a. PMID 11961534. مؤرشف من الأصل ( كتاب إلكتروني PDF ) في 14 أغسطس 2011. Free PDF download
  19. Hapgood, Fred; Grant, Andrew (From the April 2009 issue; published online 2009-03-10). "Metamaterial Revolution: The New Science of Making Anything Disappear". ديسكفر (مجلة). مؤرشف من الأصل في 20 أبريل 201805 مارس 2010.
  20. "Physics. Transforming light" . Science. 322 (5900): 384–6. 2008. doi:10.1126/science.1166079. PMID 18927379.
  21. J. B. Pendry, D. Schurig D. R. Smith. Controlling Electromagnetic Fields. Science (Express). May 25, 2006. نسخة محفوظة 04 مارس 2016 على موقع واي باك مشين.

وصلات خارجية


موسوعات ذات صلة :