Научный коллектив лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» представил уникальный метаматериал, обладающий экстремально высокими значениями добротности анаполя, — явления, возникающего за счет особой конфигурации электромагнитных полей. Новый метаматериал может быть применен для создания нового поколения сенсорных датчиков запрещенных и взрывчатых веществ, а также в качестве оптимального резонатора в различных лазерных системах и СТЕЛС-технологиях. Статья о разработке была опубликована в журнале Physical Review B.
Анаполь — это неизлучающий источник, электромагнитные поля которого сохраняются в нем самом, и не излучаются в окружающее пространство. Это уникальное состояние возникает за счет замкнутости линий электрических токов и создающихся ими электромагнитных полей. По сути — это самосогласованная система, аналогичная понятию стабильного атома.
Рис.1 Анаполь
Коллектив ученых НИТУ «МИСиС» и University of Crete (Ираклирон) под руководством доцента лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», к.т.н Алексея Башарина обнаружил, что анаполь является идеальным резонатором. Это означает, что, при облучении извне, вся полученная энергия сохраняется внутри него, и электромагнитные колебания поддерживаются в нем довольно долгое время, слабо затухая.
«Экспериментальная часть нашего исследования — это созданный уникальный метаматериал, представляющий собой небольшую плоскую решетку, так называемых метамолекул, вырезанных лазерной резкой из цельного куска обычной стали. Особая форма и конфигурация ячеек создает совокупность анаполей, в которых электрические поля сосредоточены в микро-объемах (в центральных зазорах), а магнитные поля вращаются вокруг них. В эксперименте с новым метаматериалом группе удалось достичь значений добротности (качественная характеристика любого резонатора) около 84 000 единиц. Это максимально достигнутый на сегодняшний день уровень добротности в открытых резонаторах», — сообщил руководитель проекта Алексей Башарин.
Рис.2 Фрагмент метаматериала с анаполями и обозначением конфигурации электромагнитных полей. T — тороидный момент- главная составляющая анаполя, j— токи, возбужденные в каждом анаполе, m — магнитное поле
Характерной особенностью разработки является то, что метаматериал является планарным (плоским), но при этом ученым удалось избежать в его конструкции тонких подложек, которые поглощают часть энергии, и поэтому ухудшают характеристики метаматериала.
Конфигурацию анаполя в созданном метаматериале можно представить как сосредоточенные в малом пространстве поля, причем электрическое поле сосредоточено в бесконечно малом объеме, а магнитное вращается вокруг него. Таким образом, анаполь может локализовывать значительную электромагнитную энергию с очень малыми потерями, причем в очень миниатюрных устройствах.
Созданный метаматериал характеризуется очень узкой спектральной линией. Если поместить в зазоры образца частицу вещества, спектральная линия сдвинется. Этот принцип позволяет сделать на его основе сверхчувствительные сенсоры, основу нового поколения датчиков взрывчатых и запрещенных веществ.
Рис.3 Распределение электрического поля (a), магнитного поля (b) и амплитуда тока © на частоте 9.54143 ГГц.
Помимо этого, при добавлении нелинейного полупроводника метаматериал станет перенастраиваемым экраном для СТЕЛС-технологий — комплексе способов снижения радиолокационной заметности боевых машин в радио, инфракрасном и других областях спектра.
Кроме того, такой высокодобротный анапольный метаматериал станет незаменимым элементом для суперсовременных лазеров, мазеров и различных модуляторов. А также основой для кубитов — элементарных ячеек квантовых компьютеров.
Интерес к разработке уже проявило ФГУП «Космическая связь» и ряд других корпораций космической отрасли.
