Metamaterjalid on huvitavad, ei ole probleem neile rakendusi välja mõelda alates ideaalsest valguse neelajast lõpetades superläätsedega. Aga nende valmistamine on väga keeruline. Siiski, vahel on valmistamise protsess ja selle tulemus üsna lihtsalt hoomatav. Käesoleval juhul on Jaapani ja Taiwani teadlased valmistanud metamaterjali mis erinevalt varasematest on isotroopne, st selle omadused ei sõltu langeva valguse suunast või polarisatsioonist (vt pilt allpool).
Ja siit ta tuleb. PMMA on teatud sünteetiline polümeer, võib ette kujutada kui termiliselt töödeldavat “pleksiklaasi”. Teisel pildil on elektronkiir, nikli ja kullaga katmine, liigse eemaldamine, metallriba kumeraks töötlemine.
Sellise omadusega metamaterjali valmistamise protsess on illustreeritud juuresoleval pildil. Tehnilistesse detailidesse süüvimata on kõik lihtne, protsessi tulemus, ehk siis metamaterjal on näha allpool – tegemist on omalaadse “harjastega” kaetud võrestikuga.
Nüüd peaks küsima, mis on sellel kõigel pistmist valgusega. Traadist pooringid? Kuidas seda siduda meie igapäevateadmisega, et traadijupid on traadijupid ja lääts tuleb ikka klaasist teha, olgu ta siis super või tavaline? Kas majapidamistarvete poest ostetud, metallvõrgust tehtud nõude pesemise svamm on metamaterjal?
Neile küsimustele vastata on ühtaegu kerge ja keeruline.
Keeruline selles mõttes, et metamaterjale kirjeldav füüsika on keeruline, koolifüüsikas õpitud optikaga või teadmistega aine ehitusest ei ole seal eriti midagi peale hakata. Ainuke puutepunkt on murdumisnäitaja ja valguse murdumine – saab öelda, et metamaterjalide murdumisnäitaja võib olla negatiivne ja vastavalt ümber joonistada põhikoolist tuntud pildid. Aga need traatrõngad? Miks?
Lihtne selles mõttes, et saab näidata rada, mida mööda liikudes on võimalik nähtuse olemuseni jõuda.
Igaüks teab et raadiolaineid tekitatakse antennidega. Antennides liigub vahelduv elektrivool, mis tekitab vahelduva elektromagnetvälja. Antennid on võimelised ka elektromagnetlaineid vastu võtma. Kui elektromagnetlained võetakse vastu ja saadetakse uuesti välja on see nagu peegeldumine. Kui antenn on konstrueeritud nii, et lained saadetakse pärast neeldumist “sinna kuhu vaja”, siis me teame antennidest piisavalt palju, et nende omadusi kontrollida. Vaadake nüüd uuesti pilti sellest uudsest metamaterjalist, näete seal antenne?
Isotroopne metamaterjal, üldpilt ja elemendi suurendus. All paremas nurgas on näha üldpildi mõõtkava.
Sest ka valgus on elektromagnetlaine, erinevus raadiolainetest on vaid lainepikkuses. Valgus tekitab neis imepisikestes antennides muutuvad voolud, mis omakorda tähendab, et osa neeldunud energiast kiirgub uuesti elektromagnetlainena – valgus murdub või peegeldub.
See lihtne kujutluspilt asetab konteksti enamuse keerukustest, mis metamaterjalide valmistamisel esinevad:
- Kuna antennide mõõtmed peavad olema edastatava/vastuvõetava valguse lainepikkuse suurusjärgus, on optilistel sagedustel töötavate metamaterjalide tegemine väga keeruline – antennid on väiksemad kui mikromeeter.
- Kuna metamaterjalid sisaldavad metalli (ilma metallist komponentideta on elektromagnetvälja magnetkomponenti väga keeruline kontrollida), siis läheb metamaterjalides palju valgust kaotsi;
- Antennid peaksid igale lainepikkusele olema eri suurusega, järelikult on laias spektri piirkonnas töötavaid metamaterjale veel topelt keeruline teha.
Aga teadlased ja insenerid teevad oma tööd edasi. Metamaterjalid on praegu kuum teema.
Artikkel ilmus ajakirjas Advanced Optical Materials.
Leave a Reply