メタマテリアル吸収体

メタマテリアル吸収体^[1]は、光などの電磁放射を効率的に吸収することを目的としたメタマテリアルの一種です。さらに、メタマテリアルは材料科学の進歩です。したがって、吸収体として設計されたメタマテリアルは、従来の吸収体に比べて、さらなる小型化、幅広い適応性、効率の向上などの利点があります。メタマテリアル吸収体の用途としては、エミッター、光検出器、センサー、空間光変調器、赤外線カモフラージュ、無線通信、太陽光発電や熱光起電装置での使用などが想定されています。

実際の用途では、メタマテリアル吸収体は狭帯域と広帯域の2種類に分けられます。^[2]たとえば、メタマテリアル吸収体は光検出器の性能を向上させるために使用できます。^{[2] [3] [4] [5]}メタマテリアル吸収体は、太陽光発電^{[6] [7]}と熱光起電^{[8] [9]}の両方のアプリケーションで吸収を高めるためにも使用できます。スキンデプスエンジニアリングは、光起電アプリケーションのメタマテリアル吸収体だけでなく、光検出器、レーザーダイオード、発光ダイオードなどの他の光電子デバイスでも使用できます。^[10]

さらに、メタマテリアル吸収体の出現により、研究者は古典的な電磁波理論から導かれるメタマテリアルの理論をさらに理解できるようになりました。これにより、材料の能力と現在の限界の理由を理解することができます。^[1]

残念ながら、特にTHz領域（およびより高い周波数）での広帯域吸収を達成することは、完全な吸収を得るためのメカニズムとして利用されるナノスケールの金属表面で生成される表面プラズモンポラリトン（SPP）または局在表面プラズモン共鳴（LSPR）の本質的に狭い帯域幅のために、依然として困難な課題のままです。^[2]

メタマテリアルは、自然界には存在しないユニークな特性を示す人工材料です。これらは通常、相互作用する波長よりも小さい構造の配列です。これらの構造は、従来の材料では示されないユニークな方法で電磁放射を制御する機能を備えています。メタマテリアルのコンポーネントの間隔と形状によって、その用途と電磁放射を制御する方法が定義されます。ほとんどの従来の材料とは異なり、この分野の研究者は、材料のコンポーネントの形状を変更することで電磁放射を物理的に制御できます。メタマテリアル構造は、無線周波数からマイクロ波、テラヘルツ、赤外線スペクトル、ほぼ可視波長までの幅広い周波数範囲にわたって、幅広いアプリケーションで使用されています。 ^[1]

「電磁波吸収体は入射する電磁波を反射も透過もしません。そのため、入射する電磁波のパワーは吸収体の材料にほとんど吸収されます。吸収体の性能は、その厚さや形態、また、吸収体の製造に使用される材料に依存します。」^[11]

「近似ユニティ吸収体は、動作周波数で入射するすべての放射線が吸収される装置であり、透過率、反射率、散乱、およびその他のすべての光伝播チャネルが無効になります。電磁波吸収体は、共鳴吸収体と広帯域吸収体の2種類に分類できます。^{[2] [12]}

メタマテリアル吸収体は、メタマテリアルの有効媒体設計と誘電率および透磁率の損失成分を利用して、電磁放射吸収率の高い材料を作り出す。損失は、負の屈折率（フォトニックメタマテリアル、アンテナシステムメタマテリアル）または変換光学（メタマテリアルクローキング、天体力学）のアプリケーションで注目されるが、これらのアプリケーションでは通常望ましくない。^{[1] [13]}

複素誘電率と透磁率は、有効媒体アプローチを使用してメタマテリアルから導出されます。有効媒体として、メタマテリアルは、有効誘電率については複素 ε(w) = ε ₁ + iε ₂、有効透磁率については μ(w) = μ ₁ + i μ ₂で特徴付けられます。誘電率と透磁率の複素数値は、通常、媒体の減衰に対応します。メタマテリアルの研究のほとんどは、減衰ではなく波の伝播に関連するこれらのパラメータの実数部に焦点を当てています。損失 (虚数) 成分は実数部に比べて小さいため、このような場合には無視されることがよくあります。

しかし、損失項（ε ₂およびμ ₂）を設計して、高い減衰とそれに応じた大きな吸収を作り出すこともできます。εとμの共鳴を独立して操作することで、入射する電界と磁界の両方を吸収することができます。さらに、メタマテリアルは、誘電率と透磁率を設計して反射率を最小限に抑えることで、自由空間にインピーダンス整合させることができます。したがって、非常に有能な吸収体になります。^{[1] [13] [14]}

このアプローチは、薄い吸収体を作成するために使用できます。従来の一般的な吸収体は、対象波長に比べて厚く、^[15]多くのアプリケーションで問題となります。メタマテリアルはサブ波長特性に基づいて特徴付けられるため、効果的でありながら薄い吸収体を作成するために使用できます。これは電磁吸収に限定されません。^[15]

• 負の屈折率を持つメタマテリアル
• メタマテリアルの歴史
• メタマテリアルクローキング
• 非線形メタマテリアル
• フォトニック結晶
• 地震メタマテリアル
• スプリットリング共振器
• 音響メタマテリアル
• プラズモニックメタマテリアル
• スーパーレンズ
• テラヘルツメタマテリアル
• 変換光学
• クローキングの理論

• Alici, Kamil Boratay; Turhan, Adil Burak; Soukoulis, Costas M.; Ozbay, Ekmel (2011). 「近赤外帯域における光学的に薄い複合共鳴吸収体: 偏光に依存しないスペクトル的に広帯域の構成」(PDF) . Optics Express . 19 (15): 14260–7. Bibcode :2011OExpr..1914260B. doi : 10.1364/OE.19.014260 . hdl :11693/12111. PMID  21934790.
• Baker-Jarvis, James; Kim, Sung (2012)。「マクロスケールからメソスケールまでの無線周波数場と誘電体の相互作用」。国立 標準技術研究所の研究ジャーナル。117 : 1–60。doi : 10.6028 /jres.117.001。PMC 4553869。PMID 26900513。 
• Costa, Filippo; Monorchio, Agostino; Manara, Giuliano (2010). 「抵抗負荷高インピーダンス表面を備えた超薄型電磁波吸収体の解析と設計」. IEEE Transactions on Antennas and Propagation . 58 (5): 1551–1558. arXiv : 1005.1553 . Bibcode :2010ITAP...58.1551C. doi :10.1109/TAP.2010.2044329. S2CID  26617084.**上記の PDF ダウンロードは、この論文の自費出版版です。 * Munk, Benedikt A. (2000)。周波数選択表面: 理論と設計。ニューヨーク: John Wiley & Sons。pp. 315–317。ISBN 978-0-471-37047-5。ソールズベリースクリーンは、1952年にアメリカのエンジニア、ウィンフィールド・ソールズベリーによって発明されました。
• Salisbury WW「電磁波吸収体」、米国特許番号2599944、1952年6月10日。Munkにも引用されている。

• 画像 -ビルケント大学ナノテクノロジー研究センターの Kamil Boratay Alıcı 氏 (物理学博士) による小型マイクロ波吸収体の簡単な概略図。