Введение
Метаматериалы - это искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными свойствами, сложно достижимыми технологически либо не встречающимися в природе. Первые работы в этом направлении относятся еще к 19 веку. В 1898 году Джагадис Чандра Бозе провел первый микроволновый эксперимент по исследованию поляризационных свойств созданных им структур искривленной конфигурации. В 1914 году Линдман воздействовал на искусственные среды, представлявшие собой множество беспорядочно ориентированных маленьких проводов, скрученных в спираль и вложенных в фиксировавшую их среду.
В 1946-1948 годах Уинстон Е. Кок впервые создал микроволновые линзы, используя проводящие сферы, диски и периодически расположенные металлические полоски, фактически образовавшие искусственную среду со специфичным по величине эффективным индексом преломления. С тех пор сложные искусственные материалы стали предметом изучения для многих исследователей во всем мире. В последние годы новые понятия и концепции в синтезе метаматериалов способствовали созданию структур, имитирующих электромагнитные свойства известных веществ или обладающих качественно новыми функциями.
Приставка "мета" переводится с греческого как "вне", что позволяет трактовать термин "метаматериалы" как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов. Одно из первых упоминаний этого термина прозвучало в 1999 году в выпуске новостей форума промышленной и прикладной физики (FIAP) Американского физического сообщества (APS). Там содержался анонс серии докладов по секции "Метаматериалы", запланированных на заседание APS в марте 2000 года. Среди включенных в программу докладов фигурирует выступление Роджера М. Уэлсера из университета штата Техас в Остине, которого и считают автором термина "метаматериал". Впрочем, практически одновременно с ним аналогичное понятие применил Эли Яблонович, чей доклад на упомянутом форуме содержал в названии слово "Meta-Materials". Анализ публикаций по различным аспектам технологий метаматериалов позволяет классифицировать все многообразие естественных и искусственных сред в зависимости от эффективных значений их диэлектрической (е) и магнитной (м) проницаемостей (рис.1).
У почти всех встречающихся в природе веществ диэлектрическая и магнитная проницаемости больше нуля.
Существенно, что у подавляющего большинства сред в наиболее интересных для практического использования диапазонах частот эти параметры, как правило, вообще больше или равны единице. В зарубежной литературе данные материалы обычно называют DPS (double positive, двойные позитивные), подчеркивая тем самым положительность значений как е, так и м (правый верхний квадрант на рис.1). DPS-среды считаются прозрачными для электромагнитных волн, если внутренние потери в них малы.
Рис. 1 - Классификация физических сред в зависимости от знака величин диэлектрической (е) и магнитной (м) проницаемостей
Материалы, у которых отрицательна е либо м, на принятом за рубежом научном сленге называют SNG (singlenegative, мононегативные). В таких средах электромагнитные волны быстро затухают по экспоненте. В отношении подобных материалов полагают, что они непрозрачны для излучения, если их толщина больше, чем характерная экспоненциальная длина затухания электромагнитных волн. Если е < 0 и м > 0, SNG-материал называют ENG (е-негативные), если е > 0 и м < 0 - MNG (м-негативные).