Negativ brytning

Negativ brytning är det elektromagnetiska fenomenet där ljusstrålar bryts vid ett gränssnitt som är motsatt deras mer allmänt observerade positiva brytningsegenskaper . Negativ brytning kan erhållas genom att använda ett metamaterial som har designats för att uppnå ett negativt värde för (elektrisk) permittivitet (ε) och (magnetisk) permeabilitet (μ); i sådana fall kan materialet tilldelas ett negativt brytningsindex . Sådana material kallas ibland "dubbelnegativa" material.

Negativ brytning inträffar vid gränssnitt mellan material där det ena har en vanlig positiv fashastighet (dvs. ett positivt brytningsindex), och det andra har den mer exotiska negativa fashastigheten (ett negativt brytningsindex).

Negativ fashastighet

Negativ fashastighet (NPV) är en egenskap hos ljusutbredning i ett medium . Det finns olika definitioner av NPV; det vanligaste är Victor Veselagos ursprungliga förslag om opposition av vågvektorn och (Abraham) Poynting-vektorn . Andra definitioner inkluderar motsättningen av vågvektor till grupphastighet och energi till hastighet. "Fashastighet" används konventionellt, eftersom fashastighet har samma tecken som vågvektorn.

Ett typiskt kriterium som används för att bestämma Veselagos NPV är att punktprodukten av Poynting-vektorn och vågvektorn är negativ (dvs. att $\scriptstyle {\vec {P}}\cdot {\vec { k}}<0$ ), men denna definition är inte samvariant . Även om denna begränsning inte är praktiskt signifikant, har kriteriet generaliserats till en samvariant form. Veselago NPV-media kallas också "vänsterhänta (meta)material", eftersom komponenterna i plana vågor som passerar igenom (elektriskt fält, magnetfält och vågvektor) följer vänsterregeln istället för högerhandsregeln . Termerna "vänsterhänt" och "högerhänt" undviks i allmänhet eftersom de också används för att hänvisa till kirala medier.

Negativt brytningsindex

En jämförelse av brytning i ett vänsterhänt metamaterial med det i ett normalt material

Video som representerar negativ brytning av ljus vid enhetligt plan gränssnitt.

Man kan välja att undvika att direkt beakta Poynting-vektorn och vågvektorn för ett fortplantande ljusfält, och istället överväga direkt materialets respons. Om man antar att materialet är akiralt kan man överväga vilka värden på permittivitet (ε) och permeabilitet (µ) som resulterar i negativ fashastighet (NPV). Eftersom både ε och µ i allmänhet är komplexa, behöver deras imaginära delar inte vara negativa för att ett passivt (dvs. förlustgivande ) material ska uppvisa negativ brytning. I dessa material härleds kriteriet för negativ fashastighet av Depine och Lakhtakia att vara

\epsilon _{r}|\mu |+\mu _{r}|\epsilon |<0,

där $\epsilon _{r},\mu _{r}$ är de reellt värderade delarna av ε respektive µ. För aktiva material är kriteriet annorlunda.

NPV-förekomst innebär inte nödvändigtvis negativ brytning (negativt brytningsindex). Typiskt bestäms brytningsindex ${\displaystyle n} med användning av$

n=\pm {\sqrt {\epsilon \mu }}

,

där den positiva kvadratroten enligt konventionen väljs för $n$ . Men i NPV-material väljs den negativa kvadratroten för att efterlikna det faktum att vågvektorn och fashastigheten också är omvända. Brytningsindex är en härledd storhet som beskriver hur vågvektorn är relaterad till ljusets optiska frekvens och utbredningsriktning; alltså måste tecknet för $n$ väljas för att matcha den fysiska situationen.

I kirala material

Brytningsindexet $n$ beror också på chiralitetsparametern ${\displaystyle \kappa } ,$ vilket resulterar i distinkta värden för vänster och höger cirkulärt polariserade vågor, givna av

n=\pm {\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}\pm \kappa

.

Ett negativt brytningsindex uppstår för en polarisation om $\kappa$ > ${\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}$ ; i detta fall $\epsilon _{r}$ och/eller $\mu _{r}$ inte vara negativa. Ett negativt brytningsindex på grund av kiralitet förutspåddes av Pendry och Tretyakov et al. och observerades först samtidigt och oberoende av Plum et al. och Zhang et al. År 2009.

Refraktion

Konsekvensen av negativ brytning är att ljusstrålar bryts på samma sida om normalen när de kommer in i materialet, som visas i diagrammet, och av en allmän form av Snells lag .

Se även

Elektromagnetiska interaktioner