メタマテリアル

メタマテリアル（ギリシャ語の「μετά meta」（「超える」または「後」を意味する）とラテン語の「materia」（「物質」または「材料」を意味する）に由来）は、その特性が基本物質の化学組成からではなく、意図的に設計された内部構造から生じる人工材料です。これらの特性は、自然界に存在する材料ではまれであるか、存在しないことがよくあります。メタマテリアルは通常、金属やプラスチックなどの複数の材料から作られ、影響を与える現象の波長よりも小さいスケールで繰り返しパターンに配置されます。その形状、幾何学、サイズ、向き、配置により、電磁波、音波、または地震波を操作する特性が与えられます。つまり、波を遮断、吸収、増幅、または曲げることで、従来の材料では不可能な利点を実現します。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}特定の波長で負の屈折率を示すものは、かなりの量の研究の対象となっています。^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

メタマテリアルの潜在的な用途は多岐にわたり、スポーツ用品[ ^{11 ] [ 12 ]} 、光学フィルター、医療機器、遠隔航空宇宙アプリケーション、センサー検出とインフラストラクチャ監視、スマート太陽光発電管理、レーザー^{[ 13 ]} 、群衆制御、レドーム、高周波戦場通信、高利得アンテナ用レンズ、超音波センサーの改善、さらには地震から構造物を保護することなどが含まれる^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}。メタマテリアル^はスーパーレンズを作成する可能性を提供する^{[ 18 ] [ 19 ]}。勾配屈折率材料 を使用して「不可視性」の一種が実証された。音響メタマテリアルと地震メタマテリアルも研究分野である^{[ 14 ] [ 20 ]}。

メタマテリアルの研究は学際的であり、電気工学、電磁気学、古典光学、固体物理学、マイクロ波およびアンテナ工学、光電子工学、材料科学、ナノ科学、半導体工学などの分野に関わっています。^{[ 4 ]}最近の進展では、メタマテリアルが光コンピューティングにも有望であることが示されており、メタマテリアルベースのシステムは理論的には従来のコンピューティングよりも効率的に特定のタスクを実行できる可能性があります。^{[ 21 ]}

電磁波を操作するための人工材料の研究は、19世紀末に始まった。メタマテリアルとみなせる初期の構造のいくつかは、 1898年にキラル特性を持つ物質を研究したジャガディッシュ・チャンドラ・ボースによって研究された。カール・フェルディナント・リンドマンは、20世紀初頭に人工キラル媒体として金属らせんと波の相互作用を研究した。

1940年代後半、AT&Tベル研究所のウィンストン・E・コックは、メタマテリアルと同様の特性を持つ材料を開発した。1950年代と1960年代には、軽量マイクロ波アンテナ用の人工誘電体が研究された。1980年代と1990年代には、人工キラル媒体の応用としてマイクロ波レーダー吸収体が研究された。^{[ 4 ] [ 22 ] [ 23 ]}

負の屈折率材料は、1967 年にVictor Veselagoによって初めて理論的に記述されました。 ^{[ 24 ]}彼は、そのような材料が光を透過できることを証明しました。彼は、位相速度をポインティングベクトルの方向と反平行にできることを示しました。これは、自然界に存在する材料における波動伝播とは逆です。^{[ 8 ]}

1995年、ジョン・M・ゲラは、50 nmの線と間隔を持つサブ波長透明グレーティング（後にフォトニックメタマテリアルと呼ばれる）を作製し 、それを標準的な油浸顕微鏡対物レンズ（後にスーパーレンズと呼ばれる組み合わせ）と組み合わせることで、同じく50 nmの線 と間隔を持つシリコンウェハのグレーティングを解像した。この超解像画像は、空気中で波長650  nmの照明を用いて得られた。^{[ 18 ]}

2000 年、ジョン・ペンドリーは、右手の法則に従わない左手メタマテリアルを作る実用的な方法を初めて特定しました。 ^{[ 24 ]}このような材料は、電磁波が位相速度に逆らってエネルギーを伝達する（群速度を持つ）ことを可能にします。ペンドリーは、波の方向に沿って並んだ金属線が負の誘電率（誘電関数ε < 0）を提供できると仮説を立てました。天然材料（強誘電体など）は負の誘電率を示します。課題は負の透磁率（μ < 0）を実現することでした。1999 年、ペンドリーは、軸が波の伝搬方向に沿って配置された分割リング（C 字型）がそれを実現できることを示しました。同じ論文で、彼は、ワイヤーとリングの周期的な配列が負の屈折率を生み出すことができることを示しました。ペンドリーはまた、関連する負の透磁率設計であるスイスロールを提案しました。

2000 年、David R. Smithらは、周期的に水平に積み重ねたスプリットリング共振器と細いワイヤ構造による機能する電磁メタマテリアルの実験的実証を報告した。2002 年、マイクロストリップ技術の人工集中定数負荷伝送線路を使用して負の屈折率メタマテリアルを実現する方法が提供された。2003年、左手系メタマテリアルを使用した複素 (実部と虚部の両方) 負の屈折率^{[ 25 ]} と平面レンズによる結像^{[ 26 ]}が実証された。光領域での負の屈折率は、 Vladimir Shalaevらによって初めて実証された^{[ 9 ]} 。2007年までに、負の屈折率に関する実験は多くのグループによって実施された。^{[ 3 ] [ 17 ]}マイクロ波周波数では、最初の不完全な透明マントが2006年に実現した。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]}

支配方程式の観点から、現代​​の研究者はメタマテリアルの領域を 3 つの主要な分野に分類できます。^{[ 32 ]}電磁波/光波メタマテリアル、その他の波メタマテリアル、および拡散メタマテリアル。これらの分野は、それぞれの支配方程式によって特徴付けられます。これには、マクスウェル方程式 (横波を記述する波動方程式)、その他の波動方程式 (縦波と横波用)、および拡散方程式 (拡散プロセスに関する) が含まれます。^{[ 33 ]}拡散活動の範囲を制御するように設計された拡散メタマテリアルは、拡散長をその中心的な指標として優先します。この重要なパラメータは、周波数変動の影響を受けずに時間的な変動を経験します。対照的に、さまざまな波の伝搬経路を調整するように設計された波メタマテリアルは、入射波の波長をその本質的な指標とみなします。この波長は、周波数の変化に応じて調整されますが、時間的に一定です。根本的に、拡散メタマテリアルと波メタマテリアルの主要な指標は大きく異なり、両者の間に明確な相補関係があることを強調しています。詳細な情報については、参考文献^{[ 32 ]}のセクションIB「メタマテリアル物理学の進化」を参照してください。

メタマテリアルは多くの用途で検討されている。^{[ 87 ]}メタマテリアルアンテナは市販されている。

2007年に、ある研究者は、メタマテリアルの応用を実現するには、エネルギー損失を低減し、材料を三次元等方性材料に拡張し、製造技術を工業化する必要があると述べた。^{[ 88 ]}

シャラエフ研究グループは、レイセオンチームと共同で、近赤外線で動作する全誘電体サブ波長メタサーフェス集束レンズを実証した。^{[ 89 ]}このレンズは現在、レイセオンの防衛システム製品に使用されている。

すべての物質は原子で構成されており、原子は双極子です。これらの双極子は、光の速度を係数n（屈折率）だけ変化させます。スプリットリング共振器では、リングとワイヤのユニットが原子双極子として機能します。ワイヤは強誘電体原子として、リングはインダクタンスLとして、そして開口部はコンデンサCとして機能します。リング全体としてはLC回路として機能します。電磁場がリングを通過すると、誘導電流が発生します。発生した電場は光の磁場に垂直です。磁気共鳴により負の透磁率が生じ、屈折率も負になります。（構造の静電容量によって電気誘導に傾斜が生じるため、レンズは完全には平面ではありません。）

DNGにおける周波数応答を予測する（数学的）材料モデルはいくつか存在する。その一つがローレンツモデルであり、これは駆動減衰調和振動子の観点から電子の運動を記述する。ローレンツ数学モデルの加速度成分が方程式の他の成分に比べて小さい場合、デバイ緩和モデルが適用される。復元力成分が無視できる場合、結合係数は一般にプラズマ周波数​​となる場合、ドルーデモデルが適用される。その他の成分の区別により、極性や目的に応じてこれらのモデルのいずれかを使用する必要がある。^{[ 3 ]}

低誘電率マトリックスに周期的またはランダムに埋め込まれた金属/非金属介在物の3次元複合材料は、通常、混合式や散乱行列に基づく方法などの解析的手法によってモデル化されます。粒子は、印加波の電場に平行な電気双極子、またはそれぞれ電場と磁場に平行な交差した電気双極子と磁気双極子のペアによってモデル化されます。これらの双極子は多重極級数の主要項です。これらは均質な球に対して存在する唯一のものであり、その分極率はミー散乱係数から容易に得られます。一般に、この手順は「点双極子近似」として知られており、電気的に小さな球の複合材料からなるメタマテリアルの良い近似です。これらの方法の利点には、計算コストが低いことと数学的に単純であることが含まれます。^{[ 124 ] [ 125 ]}

負の屈折率媒質、無反射結晶、スーパーレンズという3つの概念は、メタマテリアル理論の基礎となる。三重周期電磁媒質を解析するためのその他の第一原理的手法については、「フォトニックバンド構造の計算」を参照されたい。

• メタマテリアルハンドブック
• メタマテリアル：物理学と工学の探求
• メタサーフェス
• 人工誘電体とは、1940年代から1970年代にかけて開発されたレーダーマイクロ波技術で用いられるようになった、自然界に存在する誘電体の巨視的な類似物である。
• METATOY（メタマテリアル・フォー・レイズ）は、プリズムやレンズの小さなアレイなど、超波長構造で構成され、広い周波数帯域で動作可能です。
• マグノニクス