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Metamaterial ist der Name einer Klasse synthetischer Materialien mit einzigartigen, ungewöhnlichen elektromagnetischen Eigenschaften, die in natürlichen Materialien nicht zu finden sind. Normalerweise bezieht sich dies auf Materialien mit einem negativen Brechungsindex, aber dies ist nicht die einzige mögliche ungewöhnliche Eigenschaft.^[1] Synthetische Materialien mit sehr hohen Werten für Permeabilität oder Permittivität, oder beides, die in natürlichen Materialien nicht vorkommen, werden ebenfalls zu den Metamaterialien gezählt.^[2]

Negativer Brechungsindex

Der Brechungsindex eines Materials ist gegeben durch:

${displaystyle n={ egin{cases} {sqrt {epsilon _{r}mu _{r}}}&epsilon _{r},mu _{r}>0/-{sqrt {epsilon _{r}mu _{ r}}}&epsilon _{r},mu _{r}<0end{cases}}}$

Im Fall eines Metamaterials, bei dem die Permeabilität${displaystyle mu_{r}}$ und Permittivität${displaystyle epsilon _{r}}$ negativ sind, ist der Brechungsindex negativ. Von dem Snells Gesetz Daraus folgt, dass das Licht in die entgegengesetzte Richtung als normal gebrochen wird, wie in der nebenstehenden Abbildung gezeigt. Dies ermöglicht ein Metamaterial wie Super-Objektiv Funktion, indem ein rechteckiges Stück Metamaterial ein perfektes Abbild des Originals erzeugen kann. Ein solches Superobjektiv kann verwendet werden in optisches Nahfeld-Scanning-Mikroskop (SNOM), so dass die Spitze nahe am Metamaterial und nicht an der Probe selbst scannt.

Für ein Metamaterial, Cherenkov-Strahlung in die andere richtung ist es Doppler-Effekt umgekehrt und ist die Phasengeschwindigkeit einer Welle, die der . so entgegengesetzt ist Gruppengeschwindigkeit und Poynting-Vektor.

Herstellung

Es gibt in der Natur keine Materialien, bei denen Permittivität und Permeabilität für eine bestimmte Wellenlänge negativ sind. Somit werden alle Metamaterialien synthetisiert. Der Aufbau eines Metamaterials muss nicht unbedingt periodisch erfolgen, aber da dies den Prozess erleichtert, wird er in der Regel durchgeführt.

Eine gemeinsame Gruppe von Metamaterialien besteht aus einer periodischen Struktur sogenannter Split-Ring-Resonatoren. Dies sind U-förmige Metallringe und deren periodische Struktur eine negative Permeabilität hat. Das negative Permittivität wird durch eine andere periodische Struktur realisiert. Dann werden abwechselnd Schichten einer Struktur und der anderen Struktur aufgebaut. Diese periodischen Strukturen müssen eine Periodizität haben, die gleich der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, für die das Material einen negativen Brechungsindex haben muss.

Anwendungen

Ein Metamaterial kann verwendet werden, um Objekte unsichtbar zu machen. Bei einer einzigen Wellenlänge wurde dies für eine zylindrische Scheibe demonstriert.^[3] Elektromagnetische Wellen werden vom Metamaterial so abgelenkt, dass sie nach dem Material genauso aussehen wie vor dem Material. Da es keinen Unterschied in der Welle gibt, ist das Objekt nicht nachweisbar.

Verweise