神奇的超材料和隐形材料(中)

2023-10-16 398

“神奇的超材料和隐身材料”

1904首次推出超材料

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    超材料的特性首次被提及是在1904年,英国数学家Horace Lamb和英国物理学家Arthur Schuster提出了负波传播的概念。然而,两人都认为这种现象纯粹是理论上的,并不认为它可以实际实现。

曼德尔斯通的发现

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    40年后,苏联物理学家曼德尔斯通在研究电磁波传播的本质时,考察了具有负折射的材料的特性。从他的实验中,他发现这种现象在由晶格组成的材料中普遍存在。到20世纪60年代末,几个研究小组将继续进一步研究晶体的负传播特性,以及负介电常数和负磁导率概念的实际含义。

Veselago提出第一个超材料理论模型

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    最后 在1967年,苏联物理学家Veselago,提出了第一个超材料的理论模型。他的研究包括产生预测分数反转现象的方法,其中他创造了左手材料一词,以及探索具有负介电常数和负磁导率或双负材料的理论模型。在接下来的三十年里,由于缺乏有效设计和实验超材料所需的组成材料和计算能力,这些仍然主要是抽象的 。

二战后,人工电介质快速发展

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    随着超材料的框架正在开发中。在理论层面,微波工程的相关领域及其在意向设计中的应用在第二次世界大战后开始迅速发展。由此,在20世纪50年代和60年代期间,人工电介质的发展开始开辟微波辐射成形的新途径,特别是用于雷达天线设计。

人工电介质具有特定电磁响应

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    人造电介质是由排列在非导电基质中的导电形状或颗粒的射线制成的复合材料。与超材料类似,人造电介质被设计为具有特定的电磁响应,就像工程电介质材料一样。

温斯顿研究辐射和几何结构的关系

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    美国电气工程师、美国宇航局电子研究中心首任主任温斯顿·E·科克(Winston E Kock)分析研究了辐射如何通过不同的几何形状和粒子传播,无论是孤立的还是重复的模式。在他的指导下,开发了分析这些结构的有效介电常数和磁导率的方法允许开发各种配置的微波透镜。然而,由于当时 NASA 研究目标的范围,这项研究从未达到负系数的领域,未能实现真正的超材料。

Pendry成为超材料领域的主要贡献者

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    到20世纪90年代末,将超材料从理论迁移到现实的首次尝试开始出现。而形成它们的长期既定原则仍将是正在进行的研究的焦点。英国理论物理学家约翰·彭德里(John Pendry)很快成为该领域的主要贡献者,他将超材料的特性从概念变为现实。Pendry在固态物理学方面的专业知识使他与马可尼材料技术公司签约,以解释他们的海军隐形材料实际上如何工作的物理原理。

超材料的微波吸收源自结构特征

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    Pendry发现,这种材料的微波吸收并非来自其所用碳的化学结构,而是来自纤维的细长形状。通过这一观察,Pendry意识到,通过在小于特定辐射带的尺度上改变材料的内部结构,他可以改变材料与其相互作用的方式。由于观察到的特性似乎超出了自然发生的特性,因此创造了超材料一词。

开口环谐振器

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    亨利进一步探索了这个概念,提出了一种可以模仿传统磁性物质特性的复合材料的想法。他推测这种材料可以由嵌入玻璃纤维基板中的微小铜线环制成,称为开口环谐振器。这些环路将根据其尺寸和几何形状产生特定的磁响应,从而有效地成为可调谐磁谐振器。Pendry的想法的含义在材料科学中是前所未见的。他已经弄清楚了如何操纵材料的电磁响应,从而有效地提供了设计电磁辐射如何穿过材料的方法。

David Smith构建可协调线圈

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    Pendry在1999年发表了他的工作成果,迅速吸引了全世界物理学家的注意。其中 加州大学实验物理学家David Smith与同事Wille Padilla合作,构建了一系列非常小的线圈,可以以这样的方式进行调谐,当受到辐射源照射时,材料的表现就像它具有天然磁性一样。充分实现Pandry的概念后,该团队于2000年5 月发表了他们的研究结果。

Browning推动了DARPA的超材料研究计划

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    大约在同一时间,新任命的 DARPA 项目经理、物理学家瓦莱丽·布朗宁 (Valerie Browning) 在史密斯和帕迪拉的成功的推动下,说服 DARPA 发起自己的超材料研究计划。投入 4000 万美元,资助大量计算资源和精密微加工技术。史密斯和帕迪拉将很快并入DARPA项目,领导其新的先进材料计划。


文章源自:Achillesccj


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