Negatif indisli metamalzeme

Negatif indisli metamalzemeler (NIM), kırılma indisi belli frekans aralıklarında negatif değer alan metamalzemelerdir. Kırılma indisinin negatif olması bu yapay malzemelerde "negatif kırılma" gibi doğal malzemelerde bulunmayan özelliklere sahip olmasını sağlamaktadır. Bu malzemelerin yapay tepkileri dolayısıyla elektrodinamikteki standart sağ el kuralı kuralı bu ortamlarda tersine döner; bu nedenle negatif indisli metamalzemeler aynı zamanda "solak malzemeler" olarak bilinmektedir.^[1]^[2]

Özellikleri

Malzemelerin bir frekansta negatif kırılmaya sahip olabilmesi için yalıtkanlık ile manyetik geçirgenlik sabitlerinin o frekans için negatif olması gerekmektedir. Kızılötesinde ve görünür ışıkta birçok soy metal negatif yalıtkanlık sabitine indisine sahiptir ve ferritlerde negatif geçirgenlik gözlemlenmektedir; buna karşın iki sabiti de negatif değerler alan bir malzeme doğada bulunmamaktadır.^[1] Bu nedenle negatif indisli metamalzemeler çalıştıkları dalga boylarından çok daha küçük birim hücrelerin periyodik bir şekilde bir araya getirilmesi ile tasarlanır; bu prensip dalga boyundan çok küçük malzemelerin periyodik bir şekilde sıralanınca homojen bir ortam gibi davranmasına dayalıdır ve etken ortam teorisi (effective medium theory) olarak tanımlanmaktadır.^[3]^[4] Negatif sabitlere sahip olmayan bazı kiral malzemelerde de negatif kırılma gözlemlenebilmektedir.^[5]^[6] Bu malzemelerde gücün akış yönünü gösteren Poynting vektörü dalganın ilerlediği doğrultunun zıt yönüne düşer. Negatif indisli metamalzemelerde elektromanyetik dalganın ilerleme yönünün ve faz hızının tersine dönmesi dalga boyunun altında görüntüleme gibi uygulamaları mümkün kılmaktadır.^[7]

Tarihçe

Negatif indisli metamalzeme konsepti ilk kez Sovyet fizikçi Victor Veselago tarafından 1968'de öne sürülmüş ve Veselago bu malzemelerin negatif kırınma dışında ters Doppler etkisi ve ters Çerenkov radyasyonu gibi yapay özellikler sergileyebileceğini öngürmüştür.^[3]^[8] Negatif kırınma özellikle sahip ilk kompozit malzeme ise 2000 yılında Duke Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından mikrodalga frekansları için üretilmiştir.^[9] Negatif kırılmanın "süper lens" tasarımlarında kullanılabileceği ilk kez 2000 yılında İngiliz fizikçi John Pendry tarafından öne sürülmüştür.^[10] Mikrodalga frekanslarında negatif yalıtkanlık sabiti "yarıklı halka rezonatörleri"^[2] (split-ring resonator) isimli rezonant malzemelerle elde edilmiştir; bu malzemelerde iletim hattı modelleri sıklıkla kullanılmaktadır.^[11] Görünür ışıkta ise metallerin büyük ölçüde kayıplı olması ve uygun birim hücreleri boyutlarının nanometrelere inmesi nedeniyle bu metamalzemelerin üretimi zorlaşmaktadır;^[7] buna rağmen görünür ışıkta negatif kırınıma sahip fotonik ve plazmonik metamalzemeler tasarlanmaktadır.^[12]

Metamalzemelerde negatif Çerenkov radyasyonu ilk kez 2017 yılında gözlemlenmiştir.^[13]

Galeri

Negatif kırılma animasyonu
Negatif kırılma bazlı mercek odaklaması (Pendry'nin "süper lens şeması")
Negatif indisli bir iletim hattında hareket eden kılavuzlu dalgalar
Metamalzemeler için iletim hattı modelleri

Ayrıca bakınız

Kaynakça

^ ^a ^b İnan, İnan & Said 2015, s. 928-946.
^ ^a ^b Ircı, Erdinç; Ertürk, Vakur B. (2006). "Solak Metamalzemeler ile Radar Kesit Alanı Hesabı ve Optimizasyonu" (PDF). URSI Türkiye 2006 3. Bilimsel Kongresi. 1 Ocak 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF)1 Ocak 2021.
^ ^a ^b Caloz & Itoh 2005, s. 1-4.
^ Liu, Ruopeng; Cui, Tie Jun; Huang, Da; Zhao, Bo; Smith, David R. (2007). "Description and explanation of electromagnetic behaviors in artificial metamaterials based on effective medium theory". Physical Review E (İngilizce). 76 (2). s. 026606. doi:10.1103/PhysRevE.76.026606.
^ Pendry, J. B. (2004). "A Chiral Route to Negative Refraction". Science (İngilizce). 306 (5700). ss. 1353-5. Bibcode:2004Sci...306.1353P. doi:10.1126/science.1104467. PMID 15550665.
^ Zhang, S.; Park, Y.-S.; Li, J.; Lu, X.; Zhang, W.; Zhang, X. (2009). "Negative Refractive Index in Chiral Metamaterials". Physical Review Letters (İngilizce). 102 (2). s. 023901. Bibcode:2009PhRvL.102b3901Z. doi:10.1103/PhysRevLett.102.023901. PMID 19257274.
^ ^a ^b Soukoulis, C. M.; Kafesaki, M.; Economou, E. N. (2006). "Negative‐Index Materials: New Frontiers in Optics". Advanced Materials (İngilizce). 18 (15). ss. 1941-1952. doi:10.1002/adma.200600106.
^ Veselago, V. G. (1968). "The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ". Soviet Physics Uspekhi (İngilizce). 10 (4). ss. 509-514. Bibcode:1968SvPhU..10..509V. doi:10.1070/PU1968v010n04ABEH003699.
^ Smith, D. R.; Padilla, Willie; Vier, D.; Nemat-Nasser, S.; Schultz, S. (2000). "Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity" (PDF). Physical Review Letters (İngilizce). 84 (18): 4184-7. Bibcode:2000PhRvL..84.4184S. doi:10.1103/PhysRevLett.84.4184. PMID 10990641. 18 Haziran 2010 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi.
^ Pendry, J. B. (2000). "Negative Refraction Makes a Perfect Lens" (PDF). Physical Review Letters (İngilizce). 85 (18): 3966-9. Bibcode:2000PhRvL..85.3966P. doi:10.1103/PhysRevLett.85.3966. PMID 11041972. 18 Nisan 2016 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi27 Mayıs 2016.
^ Caloz & Itoh 2005, s. 6-8.
^ Shalaev, Vladimir M. (2007). "Optical negative-index metamaterials". Nature Photonics (İngilizce). Cilt 1. ss. 41-48. doi:10.1038/nphoton.2006.49.
^ Duan, Zhaoyun; Tang, Xianfeng; Wang, Zhanliang; Zhang, Yabin; Chen, Xiaodong; Chen, Min; Gong, Yubin (2017). "Observation of the reversed Cherenkov radiation". Nature Communications (İngilizce). 8 (2). s. 14901. doi:10.1103/PhysRevLett.102.023901.

Bibliyografi

Caloz, Christophe; Itoh, Tatsuo (2005). Electromagnetic Metamaterials: Transmission Line Theory and Microwave Applications (İngilizce). Wiley-IEEE Press. ISBN 978-0-471-66985-2.
İnan, Umran S.; İnan, Aziz S.; Said, Ryan K. (2015). Engineering Electromagnetics and Waves (İngilizce). New Jersey: Pearson. ISBN 978-0-13-266274-1.

Dış bağlantılar

Wikimedia Commons'ta Negatif indisli metamalzeme ile ilgili ortam dosyaları mevcuttur.

Metamalzemeler: Negatif Kırılma ve Mükemmel Mercekler 29 Şubat 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.: John Pendry'nin metamalzemeler ile ilgili bir konuşması (İngilizce)
Çığır Açan Bir Buluş: Metamalzeme: Elektrik Mühendisleri Odası dergisinin Ekmel Özbay ile metamalzemeler üzerine röportajı

[FOOTNOTEİnanİnanSaid2015928-946-1] İnan, İnan & Said 2015, s. 928-946.

[ursi-2006-2] Ircı, Erdinç; Ertürk, Vakur B. (2006). "Solak Metamalzemeler ile Radar Kesit Alanı Hesabı ve Optimizasyonu" (PDF). URSI Türkiye 2006 3. Bilimsel Kongresi. 1 Ocak 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF)1 Ocak 2021.

[FOOTNOTECalozItoh20051-4-3] Caloz & Itoh 2005, s. 1-4.

[effective-4] Liu, Ruopeng; Cui, Tie Jun; Huang, Da; Zhao, Bo; Smith, David R. (2007). "Description and explanation of electromagnetic behaviors in artificial metamaterials based on effective medium theory". Physical Review E (İngilizce). 76 (2). s. 026606. doi:10.1103/PhysRevE.76.026606.

[pendry-chiral-5] Pendry, J. B. (2004). "A Chiral Route to Negative Refraction". Science (İngilizce). 306 (5700). ss. 1353-5. Bibcode:2004Sci...306.1353P. doi:10.1126/science.1104467. PMID 15550665.

[exp-chiral-6] Zhang, S.; Park, Y.-S.; Li, J.; Lu, X.; Zhang, W.; Zhang, X. (2009). "Negative Refractive Index in Chiral Metamaterials". Physical Review Letters (İngilizce). 102 (2). s. 023901. Bibcode:2009PhRvL.102b3901Z. doi:10.1103/PhysRevLett.102.023901. PMID 19257274.

[optical-1-7] Soukoulis, C. M.; Kafesaki, M.; Economou, E. N. (2006). "Negative‐Index Materials: New Frontiers in Optics". Advanced Materials (İngilizce). 18 (15). ss. 1941-1952. doi:10.1002/adma.200600106.

[first-paper-8] Veselago, V. G. (1968). "The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ". Soviet Physics Uspekhi (İngilizce). 10 (4). ss. 509-514. Bibcode:1968SvPhU..10..509V. doi:10.1070/PU1968v010n04ABEH003699.

[comp-9] Smith, D. R.; Padilla, Willie; Vier, D.; Nemat-Nasser, S.; Schultz, S. (2000). "Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity" (PDF). Physical Review Letters (İngilizce). 84 (18): 4184-7. Bibcode:2000PhRvL..84.4184S. doi:10.1103/PhysRevLett.84.4184. PMID 10990641. 18 Haziran 2010 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi.

[perfect-lens-2000-10] Pendry, J. B. (2000). "Negative Refraction Makes a Perfect Lens" (PDF). Physical Review Letters (İngilizce). 85 (18): 3966-9. Bibcode:2000PhRvL..85.3966P. doi:10.1103/PhysRevLett.85.3966. PMID 11041972. 18 Nisan 2016 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi27 Mayıs 2016.

[FOOTNOTECalozItoh20056-8-11] Caloz & Itoh 2005, s. 6-8.

[optical-2-12] Shalaev, Vladimir M. (2007). "Optical negative-index metamaterials". Nature Photonics (İngilizce). Cilt 1. ss. 41-48. doi:10.1038/nphoton.2006.49.

[cherenkov-13] Duan, Zhaoyun; Tang, Xianfeng; Wang, Zhanliang; Zhang, Yabin; Chen, Xiaodong; Chen, Min; Gong, Yubin (2017). "Observation of the reversed Cherenkov radiation". Nature Communications (İngilizce). 8 (2). s. 14901. doi:10.1103/PhysRevLett.102.023901.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]