Sunday Science: Метаматериал фокусирующий радио-волны

Во многих смыслах метаматериалы являются сверхестественными. Эти созданные человеком материалы, со своим хитро продуманным дизайном, способны изгибать электромагнитные волны так, как не способен ни один природный материал. Ученые изучают метаматериалы для достижения множества целей, от создания плащей-невидимок – материалов. спобных преломлять свет таким образом, что он будет огибать тело, скрывая его от взгляда, и до разработки супер-линз, способных фокусировать свет превосходя любые оптические пикроскопы для получения детальных изображений объектов нано-величины. 

Исследователи из MIT создали новый трехмерный, легковесный материал выполняющий роль линзы, которая вместо фокусировки света, работает с радио-волнами. Данная вогнутая линза демонстрирует свойство, известное как негативное преломление, изгибая электромагнитные волны – в данном случае радио-волны – полностью противоположным образом, как если бы это делала обычная вогнутая линза.

Традиционные вогнутые линзы излучают радио волны похожим образом, как располагаются спицы в колесе. Однако в новом материала, радио-волны сходятся, фокусируясь на единственной точке – свойство, которое невозможно повторить при помощи природных материалов.

Для Айзека Эренберга, выпускника MIT в области механического инжениринга, этот девайс вызывает в воображении образ из фильма Звездные Войны, где Звезда Смерти выстреливает лазерным лучем из вогнутой тарелки. Благодаря соединению лучше в одной точке, достигается мощь способная уничтожать планеты. Хотя эта мета-линза созданная учеными не способна взрывать космические тела, по словам Айзека, у их разработки очень большой потенциал применения – от молекулярных исследований, до изучения глубокого космоса.

Экстраординарные свойства метаматериала достигаются благодаря его структуре – так же как благодаря определенному расположению атомов углерода, достигается непревзойденная крепость алмазов. Материал может преломлять свет равным образом в зависимости от формы индивидуальных частей и структуры в целом.

До того как Айзек создал свою линзу, команда исследователей так же из MIT, отделение Военно-Воздушных Разработок, занималась изучением того, как различные формы метаматериалов влияют на распространение электромагнитных волн. В итоге они остановились на блоковой, по форме напоминающей букву "S" ячейке, которая преломляет радио-волны в определенном направлении. Эренберг использовал эту форму в качестве основы своей вогнутой линзы, создавая приблизительную стрктуру из более чем 4000 ячеек, каждая всего в несколько миллиметров шириной.

Для выполнения своего дизайна, Эренберг использовал технологию 3D печати, создавая линзу слой за слоем из полимерного раствора. После этого он смыл все остатки при помощи струи воды под высоким давлением, и покрыл все это тонким слоем меди, чтобы линза имела проводящую поверхность.

Для тестирования линзы, исследовали поместили девайс между двумя радио-антеннами и измерили энергию проходящую через них. Эренберг обнаружил, что большая часть энергии была способна пройти через линзу с минимальнй потерей в метаматериала – это значительное улучшение в энергоэффективности по сравнению с ранними разработками в негативном преломлении. Так же команда обнаружила что радио-волны сходились в определенную точну в центре линзы, создавая очень узкий луч. 

Метаматериалы – это действительно новое измерение открывающее новые горизонты для многих областей науки.