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非線形メタマテリアルは、自然界にはまだ見られない特性を示すことができる人工的に構築された材料です。電磁放射に対する応答は、誘電率と材料の透過率によって特徴付けられます。誘電率と透過率の積が屈折率となります。天然材料とは異なり、非線形メタマテリアルは負の屈折率を生み出すことができます。また、これらは天然材料よりも顕著な非線形応答を生み出すことができます。
非線形メタマテリアルは、周期的で非線形な 伝送媒体です。これらは負の屈折率を持つメタマテリアルの一種で、非線形性は、介在物の微視的電界が電磁 (EM) 源の巨視的電界よりも大きくなる可能性があるために利用できます。これは、メタマテリアルの非線形動作を強化できる便利なツールになります。ただし、支配的な非線形応答は、材料の透磁率が材料を伝搬する入射電磁波(光)の磁気成分にヒステリシス型で依存していることから導き出すことができます。さらに、透磁率が電界強度にヒステリシス型で依存していることから、材料を左巻きから右巻きへ、またその逆に変更できます。
非線形媒体は非線形光学にとって不可欠です。しかし、ほとんどの光学材料は比較的弱い非線形応答を持ち、電磁場の強度が大きく変化しても特性がわずかにしか変化しません。非線形メタマテリアルは、共鳴構造の局所場が場の平均値よりもはるかに大きくなる可能性があるため、この制限を克服できます[1] [2] [3] - この点では、メタマテリアルは、フラクタルクラスターや半連続/パーコレーション金属膜を含むランダム金属誘電体複合材料などの他の複合媒体に似ており、局所光場が強化された領域[4] - 「ホットスポット」[a] - が巨大な線形および非線形光学応答を生成します。[6] [7] [8] [9]
- ^ シャラエフの「ホットスポット」と呼ばれることもある。例えば[5]を参照。
メタマテリアルの概要
メタマテリアルは、1967 年にロシアの理論家ヴィクトル・ベセラゴによって初めて提案された材料の具体化です。
非線形メタマテリアルは、メタマテリアルの一種で、電磁波を新しい方法で操作するために開発されています。天然素材の光学特性と電磁特性は、化学反応によって変化することがよくあります。メタマテリアルでは、ユニットセルの形状によって光学特性と電磁特性を制御できます。ユニットセルは、放射される電磁波の波長の数分の1の寸法で幾何学的に配列された材料です。[10] [11]
ユニットセルの構成とサイズを調整して効果を自由に変更できるため、誘電率と透磁率を制御できます。これら 2 つのパラメータ (または量) によって、物質内の電磁波の伝播が決まります。そのため、実現可能な電磁効果と光学効果を拡張できます。
光学特性は、レンズ、ミラー、その他の従来の材料の能力を超えて拡張できます。最も研究されている効果の1つは、1967年にビクター・ベセラゴによって最初に提案された負の屈折率です。負の屈折率を持つ材料は、ガラス、空気、その他の従来の材料とは反対の光学特性を示します。適切な周波数では、負の屈折率を持つ材料は、電磁波を新しい方法で屈折させ、ゼロ屈折率または負の屈折率にします。また、エネルギーは反対方向に伝播することができ、補償メカニズムなどをもたらす可能性があります。[11] [12] [13] [14]
インタラクション
光やその他の電磁波を散乱させる物質は、光の異なる周波数が直線軌道から外れるという一般的な物理的プロセスを生み出します。これは、物理的に、物質が1か所、または複数か所、あるいは多くの場所で不均一であるためです。[15]
さらに、光学科学は物質を通過する光の経路を予測します。光が予測された（反射された）経路から外れると、これも散乱と見なされます。メタマテリアルを構成するスプリットリング共振器は、共鳴時に光を散乱させるように設計されています。さらに、これらの共鳴散乱要素は、意図的に物質全体で均一なサイズに設計されています。この均一なサイズは、物質を伝播する光の周波数の波長よりもはるかに小さいです。 [15]
人工材料を構成する反復、散乱、共鳴要素は伝播する光の周波数よりもはるかに小さいため、メタマテリアルはマクロな量で記述することもできます。この記述は、メタマテリアルを別の視点から見る方法にすぎません。これらは電気誘電率ε と透磁率μ です。[15] [16]
したがって、セルと呼ばれる個々の幾何学的形状の材料単位を適切な種類の複合材料として設計することで、自然界には存在しないマクロ的な特性を持つ材料になります。[15] [16]
非線形メタマテリアルに関して特に興味深いのは、負の屈折率として知られる人工的に誘発されたマクロ的な特性である。この効果は、非線形メタマテリアルとして使用される負の屈折率メタマテリアル（NIM）によって生成される。[1] [15] [16] [17] [18] [19] NIMでは、第二高調波発生やパラメトリック増幅などの非線形現象が非常に珍しい特性を呈することがある。すなわち、 NIM内を伝播する波の波動ベクトルとポインティングベクトルが逆方向であるという事実は、相互作用する波の位相整合条件を変え、その結果、後方伝播する波が生じるとともに、マンリー・ロウ関係と相互作用する場の強度の空間分布が大きく変化する。[20]
左手系メタマテリアルの非線形特性
左利きまたは負の屈折率を持つメタマテリアルに関するこれまでの研究は、波の伝播中の媒体の線形特性に焦点を当てていた。このような場合、透磁率と材料の誘電率はそれぞれ電磁場の強度に依存しないという見方があった。しかし、調整可能な構造を作成するには、電磁場の強度が誘電率、透磁率、またはその両方を変え、それが透過スペクトルまたはストップバンドスペクトルの範囲に影響を与える非線形特性に関する知識が必要である。したがって、有効透磁率はマクロな磁場強度に依存する。磁場強度が変化すると、正の値と負の値の間で切り替わる可能性がある。その結果、材料は左利きから右利きに、またはその逆に切り替わる可能性がある。[2] [17]
導電線とスプリットリング共振器の周期的な配列の正方格子からなる複合構造は、強化された磁気応答を生み出す。正しい磁気応答がなければ、左手系材料を生成することはできない。[2] [17]
非線形負屈折率メタマテリアル用の調整可能なスプリットリング共振器
可変容量ダイオードがスプリットリングセルに組み込まれ、動的に調整可能なシステムを実現しています。[18]
再構成可能な屈折率（赤外線）
近赤外線波長の光源をメタマテリアルシステムに適用すると、屈折率を再構成して負の値、ゼロ、または正の値を示すことができる。[19]
SRRマイクロ波非線形調整可能メタマテリアル
最初の非線形チューナブルメタマテリアルの製造と特性の実験的研究は、マイクロ波周波数で動作していました。このようなメタマテリアルは、 SRRの特性を変更し、複合構造の各SRR要素にバラクタダイオードを導入することで製造され、伝播する電磁波の振幅を変えることで構造全体が動的にチューナブルになります。特に、高出力での左手系および磁性メタマテリアルの電力依存透過と、以前に理論的に示唆されていた特定の高調波の生成が実証されました。[15]
SRRマイクロ波非線形磁気メタマテリアル
非線形可変磁性メタマテリアルの製造と特性の実験的研究は、マイクロ波周波数で動作していました。バラクタダイオードが対称的に導入され、構造全体の動的な可変性をもたらします。相互作用の磁気成分がアプリケーションを決定するため、電力依存性が実証されています。非線形性に依存した透過率の増強または抑制は動的に調整可能であることが判明しました。[21]
SRRマイクロ波非線形電気メタマテリアル
マイクロ波周波数範囲内で共鳴電気応答を実証するために、新しいクラスの非線形メタマテリアルが提案され、設計されました。これらのメタマテリアルは、各共振器内に非線形コンポーネントとしてバラクタダイオードを組み込んでいます。この設計により、入射電力レベルを変調することで、電気モードストップバンドの周波数を操作できます。重要なことは、この変調がメタマテリアルの磁気応答特性に影響を与えないことです。これらの要素を以前に開発された非線形磁気メタマテリアルと組み合わせることで、電気非線形性と磁気非線形性の両方を制御できる負の屈折率を持つ媒体を作成できます。[22]
非線形共振器も同様の方法で設計され、強い非線形電気応答が得られる。[22]
非線形メタマテリアルレンズのサブ回折限界
光源に薄い平らな非線形レンズをかぶせることで、高調波周波数における光源の近傍場分布または遠方場放射を測定し、IFTを計算してサブ波長画像を取得することで、回折限界以下の観測が可能になります。高次の高調波が使用されるほど、より高い解像度が得られます。[23]
非線形電気メタマテリアル
新しいタイプの非線形メタマテリアルが設計され、支配的な負の電気応答で分析されました。電気応答に非線形性を導入することで、磁気応答を変えずに調整可能になります。独立して応答できる調整可能な電気要素と磁気要素を含む非線形NIMが可能です。[24]
非線形メタマテリアルによる電磁場シールド
特定の周波数を超えると、一般的な金属が電磁場（EM）を反射し、電磁シールド材として使用できることはよく知られています。しかし、従来の線形LHMは電磁場をシールドするために使用することはできません。磁気応答の非線形性を考慮すると、これは大幅に修正され、LHMでパラメトリック反射を伴う制御可能なシールド効果を生み出します。[25]
メタダイマーメタマテリアル
メタダイマーは、空間的に離れた 2 つの SRR で構成され、各ユニットセル内の 2 つの SRR は同一です。ダイマー内の SRR が近接しているため、それらの間の結合は比較的強くなります。このようなメタダイマーを多数含むメタマテリアルは、光波長でアクティブに調整可能な媒体として利用できます。メタダイマー内の SRR のいずれかまたは両方が非線形になると、メタマテリアル自体が非線形特性を獲得します。これにより、リアルタイムでの調整可能性などの非線形動作が可能になります。ステレオメタマテリアルもメタダイマーの一種です。[16]
参照
参考文献
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さらに読む
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