Elektromagnetisk metayta
.jpg)
En elektromagnetisk metayta hänvisar till ett slags artificiellt arkmaterial med sub-våglängdstjocklek. Metasytor kan vara antingen strukturerade eller ostrukturerade med subvåglängdsskalade mönster i de horisontella dimensionerna.
I elektromagnetisk teori modulerar metasytor beteendet hos elektromagnetiska vågor genom specifika gränsförhållanden, snarare än konstitutiva parametrar i tredimensionell (3D) rymd, som vanligtvis utnyttjas i naturliga material och metamaterial . Metasytor kan också hänvisa till de tvådimensionella motsvarigheterna till metamaterial.
Definitioner
Metasytor har definierats på flera sätt av forskare.
1, "Ett alternativt tillvägagångssätt som har fått ökad uppmärksamhet de senaste åren handlar om en- och tvådimensionella (1D och 2D) plasmoniska arrayer med subvåglängdsperiodicitet, även känd som metasytor. På grund av deras försumbara tjocklek jämfört med driftvåglängden kan metasytor (nära resonanser av enhetscellskomponenter) betraktas som ett gränssnitt för diskontinuitet som framtvingar en abrupt förändring i både amplituden och fasen för det infallande ljuset”.
2, "Våra resultat kan förstås med hjälp av konceptet med en metayta, en periodisk uppsättning av spridningselement vars dimensioner och perioder är små jämfört med den operativa våglängden".
3, "Metasytor baserade på tunna filmer". En mycket absorberande ultratunn film på ett substrat kan också betraktas som en metayta, med egenskaper som inte förekommer i naturliga material. Enligt denna definition är de tunna metalliska filmerna som den i superlinser också tidiga typer av metasytor.
Historia
Forskningen av elektromagnetiska metasytor har en lång historia. Tidigt 1902 Robert W. Wood att reflektionsspektra av metalliskt gitter med subvåglängd hade mörka områden. Detta ovanliga fenomen fick namnet Woods anomali och ledde till upptäckten av ytplasmonpolariton (SPP), en speciell elektromagnetisk våg som exciteras på metallytor. Därefter introducerades ett annat viktigt fenomen, Levi-Civita-relationen, som säger att en subvåglängdstjock film kan resultera i en dramatisk förändring av elektromagnetiska randvillkor.
Generellt sett kan metasytor inkludera några traditionella koncept i mikrovågsspektrat såsom frekvensselektiva ytor (FSS), impedansplattor och till och med ohmska ark. I mikrovågsregimen kan tjockleken på dessa metasytor vara mycket mindre än operationsvåglängden (till exempel 1/1000 av våglängden), eftersom huddjupet kan vara extremt litet för mycket ledande metaller. demonstrerades några nya fenomen som ultrabredband koherent perfekt absorption . Resultaten visade att en 0,3 nm tjock film kunde absorbera alla elektromagnetiska vågor över RF-, mikrovågs- och terahertzfrekvenserna.
I optiska tillämpningar kan en antireflekterande beläggning också betraktas som en enkel metayta, som först observerades av Lord Rayleigh.
Under de senaste åren har flera nya metasytor utvecklats, inklusive plasmoniska metasytor, metasytor baserade på geometriska faser, metasytor baserade på impedansskivor och glidsymmetriska metasytor.
Ansökningar
En av de viktigaste tillämpningarna av metasytor är att kontrollera en vågfront av elektromagnetiska vågor genom att ge lokala, gradientfasskiftningar till de inkommande vågorna, vilket leder till en generalisering av de gamla lagarna för reflektion och brytning . På så sätt kan en metayta användas som en plan lins, belysningslins, plan hologram, virvelgenerator, stråldeflektor, axicon och så vidare.
Förutom gradient-metasurface-linserna erbjuder metasurface-baserade superlinser en annan grad av kontroll av vågfronten genom att använda evanescenta vågor. Med ytplasmoner i de ultratunna metallskikten kan perfekt avbildning och superupplösningslitografi vara möjlig, vilket bryter det vanliga antagandet att alla optiska linssystem begränsas av diffraktion, ett fenomen som kallas diffraktionsgränsen .
En annan lovande applikation är inom stealth-teknik . Ett måls radartvärsnitt (RCS) har konventionellt reducerats genom antingen strålningsabsorberande material (RAM) eller genom att målen utformas så att den spridda energin kan omdirigeras bort från källan. Tyvärr har RAM-minnen smala frekvensbandsfunktioner, och ändamålsformning begränsar målets aerodynamiska prestanda. Metasytor har syntetiserats som omdirigerar spridd energi bort från källan med antingen arrayteori eller den generaliserade Snells lag. Detta har lett till aerodynamiskt gynnsamma former för målen med reducerad RCS.
Metasurface kan även integreras med optiska vågledare för styrning av styrda elektromagnetiska vågor . Applikationer för meta-vågledare som integrerade vågledarlägesomvandlare, strukturerad ljusgenerering, mångsidiga multiplexorer och fotoniska neurala nätverk kan aktiveras.
Dessutom används metasytor även i elektromagnetiska absorbatorer, polarisationsomvandlare och spektrumfilter. Metasurface-bemyndigade nya bioavbildnings- och biosensorenheter har också dykt upp och rapporterats nyligen. För många optiskt baserade bioavbildningsenheter har deras bulkfotavtryck och tunga fysiska vikt begränsat deras användning i kliniska miljöer.
Simulering
För att effektivt analysera sådana plana optiska metasytor tillåter prismabaserade algoritmer triangulär prismatisk rymddiskretisering, vilket är optimalt för plana geometrier. Den prismabaserade algoritmen har färre element än konventionella tetraedriska metoder, vilket i sin tur ger högre beräkningseffektivitet. En simuleringsverktygssats har släppts online, vilket gör det möjligt för användare att effektivt analysera metasytor med anpassade pixelmönster.
Optisk karakterisering
Att karakterisera metasytor i den optiska domänen kräver avancerade avbildningsmetoder, eftersom de inblandade optiska egenskaperna ofta inkluderar både fas- och polarisationsegenskaper . Nya arbeten tyder på att vektoriell ptykografi , en nyligen utvecklad beräkningsavbildningsmetod, verkar mycket relevant. Den kombinerar Jones-matriskartläggningen, tillsammans med en mikroskopisk lateral upplösning, även på stora exemplar.