Метаматериалы могут ускорить интернет в 10 раз

[5611]

Профессор Ортвин Хесс (Ortwin Hess)с коллегами из Университета Суррея подсчитали, что с помощью метаматериалов можно увеличить скорость передачи интернет-данных по меньшей мере в 10 раз.
Благодаря отрицательным коэффициентам преломления электромагнитных волн, метаматериалы меняют характер распространения света. Как пишет Telegraph, ученые считают, что это свойство можно использовать для создания нового типа оптоволокна и компьютерных сетей на его основе.

С помощью метаматериалов в таких сетях возможно замедлять скорость света и расщеплять световой сигнал на частотные составляющие в целях их дальнейшей раздельной обработки. По мнению исследователей, во многих случаях это позволит избежать сложных и дорогостоящих процессов преобразования оптических сигналов в электрические и обратно, облегчит интеграцию оптоволокна и электронных устройств, модуляторы которых неспособны обрабатывать высокочастотные оптические сигналы.
Для интернета метаматериалы могут стать инструментом регулирования потока данных, подобному светофорным системам в дорожном движении. Несмотря на замедление скорости передачи сигнала при его приближении к приемнику, в целом метаматериалы способны ускорить трафик в Сети

http://rnd.cnews.ru/tech/news/top/index ... /14/312644

http://www.treli.ru/LoadedImages/IMG_20 ... im2402.jpg
а) обычное преломление на границе двух сред; b) преломление в материале с отрицательным показателем преломления; c) линза из материала с отрицательным показателем преломления


Отрицательный показатель преломления означает, что свет в материале распространяется особым образом: направление фазовой скорости электромагнитной волны оказывается противоположным направлению ее распространения. Впервые понятие материала с отрицательным показателем преломления появилось в работе советского физика, ныне профессора МФТИ, Виктора Веселаго в 1967 году. Однако тогда эти выкладки посчитали не более чем гипотетическими умозаключениями. Да и сам автор не смог предъявить научной общественности конкретный материал с такими свойствами. Стоит заметить, что это не вина исследователя: в природе до сих пор не обнаружено веществ с отрицательным коэффициентом преломления. Таким образом, результаты Веселаго оказались забыты на сорок лет.

В 90-х годах прошлого века с расцветом нанотехнологий расцвела и теория метаматериалов - материалов, свойства которых определяются особенностями конструкции, а не химическим составом. В 2000 году Дэвид Смит из Калифорнийского университета в Сан-Диего показал, что, если материал с определенными свойствами нельзя найти, то его можно создать.

Простейшим примером метаматериала служит металлическая сетка. Свойство пропускать свет не зависит от металла, из которого она изготовлена. С этого и начал Дэвид Смит. Он взял листы медной сетки и расположил их в несколько слоев. Он даже не использовал нанотехнологии – размер ячеек был чуть больше 2,5 миллиметра. Выбрав ячейки должным образом, Смит добился того, что этот медный "пирог" стал для электромагнитных волн с частотой 10 гигагерц материалом с отрицательным коэффициентом преломления.

В этом же году случилось другое важное событие: британский физик Джон Педри теоретически показал, что из материалов с отрицательным коэффициентом преломления (которых, напомним, на момент написания работы открыто еще не было) можно создать суперлинзу. Оптические устройства с положительным показателем преломления ограничены дифракционным пределом — они могут показывать детали, размер которых равен или больше длины волны света, отраженного от объекта. Дифракция накладывает теоретический предел на системы создания изображения. К несчастью, самая короткая длина волны видимого света составляет около 380 нанометров. Это означает, что в обычный оптический микроскоп нельзя рассмотреть атомы (0,1 нанометра), молекулы (0,5 нанометра), вирусы (20-300 нанометров). Чтобы обойти этот предел ученым пришлось создать электронную микроскопию, дифракционную рентгеноскопию и другие сложные и дорогие технологии.

Джону Пендри удалось показать, что линза, сделанная из метаматериала с отрицательным коэффициентом преломления, не обладает дифракционным пределом. Это означает, что теоретически представляется возможным создавать оптические микроскопы с недоступным ранее разрешением. На практике эти результаты были подтверждены спустя семь лет, в 2007 году, несколькими независимыми группами исследователей по всему миру. Но оказалось, что и это ещё не все.

В 2006 году уже сэр Джон Пендри представил на суд общественности теоретические основы невидимости. В его работе утверждалось, что если объект поместить внутрь специально сконструированной суперлинзы, то для стороннего наблюдателя этот объект станет невидимым. Световые волны, подчиняясь внутренней структуре материала, будут огибать его со всех сторон; правда, в работе отмечалось, что материалов с подобными свойствами в настоящее время не существует. Несмотря на это, Агентство передовых исследований при Министерстве обороны США (DARPA) выделило на научную работу солидный грант. С тех пор группа Пендри сообщила о нескольких существенных результатах: к концу 2009 года они пообещали создать материал, делающий объект невидимым в диапазоне радиочастот, а к 2011 году сделать невидимым танк.

Последнее из ключевых событий случилось в июне 2008 года. Математик Грейм Милтон (Graeme Milton) из Университета Юты обнаружил у некоторых суперлинз маскирующую зону. Оказалось, что объект не надо помещать внутрь линзы, достаточно поставить его рядом. Лучи света, отраженные от объекта, будут скрываться лучами света преломленными линзой. Отраженный свет не будет достигать наблюдателя, и объект будет для него невидим. В этом смысле невидимость Милтона напоминает шапку-невидимку: достаточно одеть ее, и становишься весь невидимым, в то время как невидимость Пендри – это плащ, в который необходимо укутываться. В доказательство работоспособности своей теории американские математики представили компьютерную программу для случая плоских (двумерных) магнитных волн. Как это будет выглядеть в пространстве (трехмерном), ученые не ответили.

К августу 2008 года уже набралась достаточно большая коллекция метаматериалов с отрицательным показателем преломления. И вот, наконец, 11 августа на суд научного сообщества были представлены сразу два материала, которые по утверждениям создателей обладают отрицательным показателем преломления для широкого диапазона электромагнитного излучения. В частности, в этот диапазон попадают частоты видимого света. Вообще говоря, это не первый материал с подобными свойствами. В 2007 году исследователи из Принстона представили многослойную конструкцию из серебра и полупроводников, которая также обладала похожими свойствами. Однако она поглощал большую часть излучения, что делало невозможным его применение в оптике.

Как утверждают создатели, новые материалы лишены подобных недостатков. Схема первого напоминает принстонский аналог. Сами ученые называют ее "рыболовной сетью". Материал представляет собой несколько чередующихся слоев серебра и фторида магния, в которых проделаны отверстия нанометрового размера. Из полученного материала ученые изготовили призму, для демонстрации оптических эффектов. Их работа будет опубликована в Nature.

Вторая группа исследователей использовала пористый оксид алюминия. Внутри полостей при помощи специального процесса ученые вырастили серебряные наноштыри, расположенные очень близко (на расстоянии меньшем длины световой волны) друг к другу. Работа этой группы будет опубликована в журнале Science.

Сами ученые достаточно скептически смотрят на перспективы применения этих материалов для создания плащей-невидимок. Так в телефонном интервью Reuters, один из создателей материала Джейсон Валентин (Jason Valentine) заявил, что людям пока не стоит волноваться по поводу возможного появления плащей-невидимок. Хотя он и отметил, что потенциально новый материал может быть использован для создания невидимости по методу, предложенному Джоном Пендри.
http://www.lenta.ru/articles/2008/08/11/cloak/

[5611]

"Метаматериал" — едва ли не самое "горячее" слово в нанотехнологиях последнего пятилетия. Те, кто следит за прогрессом, наверняка восхищались недавними демонстрациями эффекта невидимости в нескольких американских университетах. Небольшие предметы с экраном из особым образом сконструированных веществ оказывались прозрачными для разных видов излучения в радио- или оптическом диапазоне. Ближайшая задача метаматериалов — объединить электронные и оптические методы обработки информации.

Строго говоря, термин "метаматериал" означает всего лишь искусственно созданное вещество. В нанотехнологиях им чаще всего обозначают искусственное вещество, приобретающее необычные оптические свойства благодаря внесению в него массива нанометровых металлических частиц.

Если бы у воды были такие оптические свойства, как у "метаплаща-невидимки", нам бы казалось, что опущенный в нее палец торчит вверх, а изображение рыбы у дна озера парило бы над поверхностью. Необычную оптику обеспечивают геометрия частиц и характер их расположения. В опытах с невидимостью металлические наноэлементы в виде разомкнутых колец или цилиндриков образуют равномерную матрицу, причем и сами элементы, и расстояние между ними во много раз меньше длины волны света или радиосигнала. "Когда сигнал проходит сквозь такую матрицу, в ней возникают своего рода миражи, только на нанометровых масштабах,— объясняет профессор Андрей Сарычев из Института теоретической и прикладной электродинамики РАН (ИТПЭ).— В результате сигнал огибает препятствие — и создается иллюзия невидимости". Профессор Сарычев — один из самых известных в мире специалистов по метаматериалам. Более десяти лет он проработал в США, где и получил свои результаты по физике этих сред, уже ставшие классическими.

Еще в 1967 году советский физик Виктор Веселаго (сейчас профессор московского Физтеха) теоретически исследовал эту парадоксальную оптику. Тогда это казалось абстрактной игрой ума, так как в природе вещества с такими оптическими параметрами не встречаются. Сегодня же нанотехнологи всего мира энергично работают над реализацией метаматериалов, которые позволили бы создать так называемую суперлинзу, математически описанную Веселаго почти 40 лет назад.

Суперлинзы могут иметь огромную сферу применения — в частности, с их помощью можно будет исследовать вирусы и молекулы белков под обычным световым микроскопом. Сейчас разрешение оптического микроскопа ограничено длиной волн видимого света (сотнями нанометров), и ни один из существующих материалов даже теоретически не способен преодолеть это фундаментальное ограничение. Метаматериалы такого же типа, но настроенные на радиодиапазон позволят уменьшить размеры антенн радаров и мобильных телефонов. Кроме очевидного применения в военных и разведывательных целях такие радары могут быть использованы и в системах автоматической навигации автомобилей.

Андрей Сарычев, впрочем, считает самым важным применение метаматериалов при создании устройств оптической обработки информации. Это направление теснейшим образом связано с плазмоникой — модной и перспективной областью применения нанотехнологий.

Плазмонное излучение называют еще двумерным, одномерным и нульмерным светом. Оно представляет собой комбинацию электромагнитных колебаний и колебаний электронов в металле. Такое излучение конвертируется в свет с той же длиной волны и само может генерироваться с помощью обычного света, обеспечивая интерфейс между электронной и оптической обработкой информации. Метаматериалы, структурированные массивом наночастиц, используются в плазмонных устройствах различного назначения, потому что в металлических наночастицах как раз и возбуждаются плазмонные колебания.

Один из интересных, по мнению Сарычева, проектов в области наноплазмоники реализуется сейчас совместно специалистами физфака МГУ, ИТПЭ и Канадского фотонного центра в Оттаве. Речь идет о создании принципиально нового источника света — плазмонного лазера. Такой лазер представляет собой комбинацию квантовых точек и плазмонного резонатора. Его размеры составляют лишь несколько нанометров, что в десятки раз меньше полевых транзисторов, которые можно создать на кремниевой пластине. Матрица из таких элементов может стать основой оптических компьютеров, превосходящих существующие по быстродействию, экономичности и компактности.

Эти разработки пока находятся на поисковой стадии. Но есть и примеры устройств на метаматериалах, доведенных до промышленного уровня.

Металлические пленки и подложки с массивом нанометровых частиц используются для создания химических и биологических сенсоров. Чувствительность таких сенсоров повышается в миллионы и миллиарды раз за счет правильно выбранной наноструктуры металлических подложек. Это явление было открыто в 70-х годах прошлого века, оно носит название "гигантское усиление комбинационного рассеяния". Однако только сейчас становится понятной зависимость усиления сигнала от структуры подложки, что дает возможность оптимально выбирать эту структуру. Такие наноподложки производят уже многие компании, например Archilys Engineering (Япония), Mesaphotoniks Ltd (Англия), Nanospectra Biosciences (США), Inproteo (США).

Периодические металлические наноструктуры, взаимодействующие с пучками электронов, позволяют конструировать сверхчувствительные инфракрасные датчики, перенастраиваемые на любую часть ИК-диапазона. Разрабатывает такие датчики компания Applied Plasmonics (США).

Калифорнийским университетом, университетом Беркли и Аэрокосмической корпорацией в кооперации с фирмой Hitachi завершаются работы по созданию наноконденсора электромагнитного поля. Наноконденсор позволяет сконцентрировать поле в зоне размером в несколько нанометров и использовать этот эффект для сверхплотной магнитной записи. Все основные работы уже завершены, и в средине 2009 года устройство для сверхплотной записи информации должно поступить в продажу (если не помешает кризис).

Вероятно, это лишь первые шаги в освоении потенциала метаматериалов, но интересно, что идеи, возникшие при их исследовании, уже вышли далеко за пределы нанотехнологий. Например, развивается ряд проектов по защите зданий от шума с помощью структурированных экранов, делающих их "невидимыми" для звука. Есть даже проекты использования подобных структур для защиты домов от землетрясений.
http://www.kommersant.ru/doc-y.aspx?DocsID=1078056



а) обычное преломление на границе двух сред; b) преломление в материале с отрицательным показателем преломления; c) линза из материала с отрицательным показателем преломления

[5611]

...Достоинства NETGEAR WNDR3700 уже были подтверждены наградой CES 2009 «лучшая инновация» в категории оборудования для домашних сетей.
Кроме того, в состав WNDR3700 входит ... и восемь антенн с повышенной чувствительностью, изготовленные из метаматериала... http://www.3dnews.ru/news/ces_2009_novi ... t_netgear/

...and eight ultrasensitive antennas--promising some of the highest speeds and most reliable coverage... http://ces.cnet.com/?keyword=Netgear%3B ... +dual+band

[5611]

Ученые университета Райс создали новый метаматериал, который позволяет скрывать предметы от человеческого взгляда. Создав идеально сонаправленные впадины в материале, ученые добились строгого перенаправления лучей определенных длин волн по единой прямой. Данную структуру можно называть либо первыми в мире трехмерными наноантеннами, либо плащом невидимости. Разработчики утверждают, что с таким материалом можно будет добиваться невиданных прежде эффектов.
Это изобретение, например, сможет быть использовано в солнечных батареях. Коллекторы солнечных панелей для увеличения КПД должны механически поворачиваться сообразно движению Солнца по небу. Привлечение наноантенн позволит собирать световые лучи в одной точке вне зависимости от того, под каким углом эти лучи падают на метаматериал. Данная возможность не только обеспечит идеальный угол для солнечных лучей; это, в свою очередь, снизит и расходы энергии на поворот коллектора, опять же, увеличивая КПД. http://www.mobiledevice.ru/rice-univers ... -svet.aspx

[5611]

Фрактальные резонаторы обеспечивают невидимость в радиодиапазоне
Технологии, делающие объект прозрачным, ранее встречались только в сказках о волшебниках или пришельцах. 27 марта 2009 г. компания Fractal Antenna Systems показала, что фантазии вскоре могут стать реальностью.

Современные метаматериалы позволяют отклонять электромагнитные волны в очень узком диапазоне, поэтому не имеют широкого практического использования. Команда разработчиков под руководством проф. Натана Коэна (Nathan Cohen) разработала прототип устройства, работающего в достаточно большом диапазоне, но не видимого спектра, а микроволн.

Созданный учеными “плащ-невидимка” построен с использованием собственных технологий, в том числе на основе теории фракталов. (Фрактал – геометрическая форма, которая может быть разбита на отдельные части, приближённо представляющие собой уменьшенную копию целого, обладает свойствами самоподобия и структурной неограниченности.) Построенный из лент микросхем, дополненных фрактальными резонаторами, новый материал перенаправляет микроволны вокруг скрываемого объекта, и точно копирует исходный сигнал в диапазоне 500–1500 МГц. Подробности открытия описаны на сайте http://www.metacloak.net/

Однако, по мнению разработчиков, материал, способный скрывать объекты в диапазоне видимого спектра, появятся еще очень нескоро. http://ko-online.com.ua/node/42191