آرشیو بلاگ, مخابرات

آشنایی با فرامواد

مقدمه

فرامواد یا متامتریال (Metamaterial) ماده‌ای است که در طبیعت وجود ندارد و به صورت مهندسی شده آن را با استفاده از مواد موجود در طبیعت می‌سازند. به عنوان مثال با استفاده از ترکیب چند عنصر مانند فلزها و پلاستیک می‌توان شرایطی محیا کرد که خاصیت فراموادی داشته باشند. از ماده‌ی جدید ساخته شده می‌توان در کنترل موج‌های الکترومغناطیسی از طریق فیلتر کردن، جذب، افزایش یا حذف موج‌های ناخواسته استفاده کرد. یکی از ویژگی خاصی که فرامواد دارد، منفی بودن ضریب شکست است که توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است.

 

آشنایی با فرامواد

مقدمه

فرامواد یا متامتریال (Metamaterial) ماده‌ای است که در طبیعت وجود ندارد و به صورت مهندسی شده آن را با استفاده از مواد موجود در طبیعت می‌سازند. به عنوان مثال با استفاده از ترکیب چند عنصر مانند فلزها و پلاستیک می‌توان شرایطی محیا کرد که خاصیت فراموادی داشته باشند. از ماده‌ی جدید ساخته شده می‌توان در کنترل موج‌های الکترومغناطیسی از طریق فیلتر کردن، جذب، افزایش یا حذف موج‌های ناخواسته استفاده کرد. یکی از ویژگی خاصی که فرامواد دارد، منفی بودن ضریب شکست است که توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است.

تاریخچه

اولین بار بحث در مورد وجود این نوع ماده توسط فیزیکدان روسی ویکتور وسلاگو (Viktor Veselago) در سال 1967 میلادی مطرح شد. وسلاگو این مواد را به عنوان مواد چپ‌دستی (LH) مطرح کرد تا برای همه اثبات کند که این مواد می‌توانند موج‌های الکترومغناطیسی را با استفاده از میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی و بردارهای ثابت فاز با خاصیت‌ چپ‌دستی بودن در مقایسه با مواد موجود مرسوم که به عنوان مواد راست‌دستی (RH) شناخته شده‌اند، منتشر کند.
بعد از مقاله‌ی وسلاگو در مورد مواد چپ‌دستی بیش از 30 سال طول کشید تا اولین فراماده‌ی چپ‌دستی به صورت آزمایشگاهی ساخته شود. این ماده در طبیعت وجود ندارد اما بصورت مصنوعی با استفاده از کنار هم قرار دادن ساختارهای همگن می‌توان بوجود آورد.

این آزمایش توسط اسمیت و همکارانش در سال 2000 میلادی در دانشگاه کالیفرنیا، سن دیگو انجام شد. اسمیت و همکارانش برای ساخت این ماده از کارهای پندری (Pendry) الهام گرفتند. همانطور که می‌دانید ضریب شکست شامل دو پارامتر است، یکی ضریب گذردهی الکتریکی (ε) و دیگری ضریب نفوذ‌پذیری مغناطیسی (μ).

ساختاری که پندری معرفی کرد ساختارهایی با ε منفی/ μ مثبت با نام سیم نازک (TW) و ε مثبت/ μ منفی با نام رزوناتور حلقه‌ی شکافی (SRR) که در شکل 1 نشان داده شده است.

 

شکل 1. الف) سیم نازک (TW) ب) رزوناتور حلقه‌ی شکافی (SRR)

اسمیت و همکارانش از این دو ساختار الهام گرفته و با ترکیب آنها توانستند اولین فرامواد چپ‌دستی را بصورت آزمایشگاهی تولید کنند. در شکل 2 ساختار پیشنهادی آنها نمایش داده شده است. یکی از مهم‌ترین ویژگی این نوع ساختار‌ها اندازه‌ی کوتاه‌تر از طول موج آنها است که موج‌های الکترومغناطیسی را تحت تاثیر خود قرار می‌دهد.

شکل 2. الف) ساختار چپ‌دستی تک‌بعدی ب) سختار چپ‌دستی چند‌بعدی

 

فرامواد ترکیب شده‌ی راست‌دستی و چپ‌دستی (CRLH)

مفهوم و پایه‌ی اصلی CRLH توسط کالز (Caloz) معرفی شد. این نوع ساختار یک فرامواد با پهنای باند زیاد تولید می‌کند که شامل خازن‌های سری و سلف‌های موازی است تا بتواند خاصیت چپ‌دستی را در ساختار بوجود آورد. با استفاده از این ساختار براحتی می‌توان مدار معادل فرامواد را تحلیل و بررسی و ویژگی‌های مورد نیاز برای ساختارهای جدید را استخراج کرد.

گروه‌بندی فرامواد ها

فراموادهای الکترومغناطیسی به چندین گروه مختلف تقسیم می‌شوند که در ادامه به مهم‌ترین آنها اشاره می‌کنیم.

ضریب شکست منفی:

در این نوع مواد ضریب شکست دارای علامت منفی می‌باشد یعنی ضریب گذردهی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی هر دو دارای علامت منفی هستند و نتیجه یک انعکلاس منفی خواهد بود.

این مواد اغلب به عنوان فرامواد دو برابر منفی (DNG) نیز معرفی می‌شوند. در مواد نوری اگر هر دو ضریب مثبت باشند، موج بصورت رو به جلو تشعشع خواهد کرد اما در حالی که هر دو ضریب منفی باشند موج رو به عقب تشعشع می‌کند. یک حالت دیگر نیز وجو دارد که شرط منفی بودن هر دو ضریب وجود دارد اما قطبی شدگی آنها متفاوت است که در این شرایط موج تشعشع نخواهد کرد.

تک منفی

در این نوع ماده فقط یکی از ضریب‌ها دارای علامت منفی است که به آن فرامواد تک منفی (SNG) می‌گویند. این نوع مواد وقتی با سایر مواد تک منفی ترکیب می‌شوند خاصیت فراموادی به خود می‌گیرند. بیشتر مواد پلاسمایی دارای این ویژگی هستند. به عنوان مثال موادی که فقط ضریب گذردهی الکتریکی آنها منفی و ضریب نفوذپذیری آنها مثبت هستند می‌توان به طلا و نقره اشاره کرد. در مقابل موادی که فقط نفوذپذیری منفی دارند می‌توان به مواد ژیروتروپیک (Gyrotropic) اشاره کرد که خاصیت نوری – مغناطیسی از خود نشان می‌دهند.

باند توقف (Bandgap)

فرامواد باند توقفی مغناطیسی (EBG) برای کنترل انتشار نور استفاده می‌شوند. این نوع موادها به اسم کریستال‌های فتونیکی (PC) نیز معرفی شده اند. مواد EBG با استفاده از ساختارهای دی‌الکتریک، متناوب ساخته می‌شوند که دارای تلفات کم و کیفیت بالا هستند. این نوع مواد بر روی فوتون‌ها تاثیر می‌گذارند و اثر خیلی شبیه به تاثیر مواد نیمه‌هادی بر روی الکترون‌ها است.

هدف از طراحی EBG را می‌توان حذف خاصیت انتشار در پهنای باند فرکانسی دلخواهی بیان کرد که نمی‌خواهیم ساختار در آن محدوده انتشار داشته باشد. بنابراین برای تحقق این امر از ساختارهایی با شکل‌ها و زوایای مختلف استفاده شده‌ است و همچنان محققان در حال تحقیق و بررسی ساختارهای جدید در این زمینه هستند.

کایرال (Chiral)

در ساختار فرامواد کایرالی از مواد کایرال استفاده شده است. کایرال را می‌توان به عنوان یک عنصر یا مولکولی تعریف کرد که دارای خاصیت آینه‌ای هستند، بطوریکه با دقت بیشتر در ساختار آنها می‌توان یک نوع تکرار را در آنها بصورت آینه‌ای ملاحظه کرد. کایرال در زبان یونانی به معنای دست انسان نیز تعریف می‌شود که تکرار شدن ساختار بصورت قرار گرفتن دست راست در کنار دست چپ بیان می‌شود.

کاربردهای فرامواد

فرامواد تحت یک سری شرایط خاص برای کاربردهای مختلفی قابل استفاده هستند. امروزه آنتن‌های فرامواد در صنعت در دسترس هستند. هدف استفاده از فرامواد در آنتن چیزی جز بهبود عملکرد آن نیست. نتایج آزمایشگاهی نشان می‌دهد که فرامواد باعث تقویت توان تششعی در آنتن می‌شود. همچنین باعث کاهش اندازه‌ی کل آنتن می‌شود.

یکی دیگر از کاربردهای فرامواد استفاده از آنها در جاذب‌ها است. نحوه‌ی عملکرد آن بدین صورت است که با برخورد موج بر سطح آن بتواند مقدار زیادی از تشعشع الکترومغناطیسی را جذب کند. از ساختارهای پرکاربرد در این زمینه می‌توان به آشکارسازهای نوری و سلول‌های خورشیدی اشاره کرد.

یکی از مهم‌ترین کاربردهای فرامواد، استفاده از آن در دستگاه‌های پوششی است. با توجه به خاصیت فرامواد در حذف فرکانس‌های ناخواسته می‌توان ساختارهایی طراحی کرد که خاصیت نامرئی سازی دارند و می‌توانند دیده نشوند. بدین صورت که وقتی نور بر سطح آن برخورد می‌کند، مانع از برگشت نور شده و در نتیجه نمی‌توان آن را با چشم دید.

نتیجه گیری

ساختارهای فرامواد باعث ایجاد خصوصیات و رفتارهای جالب و جدیدی در حوزه الکترومغناطیس و مایکروویو شده است. به خصوص خاصیت ضریب شکست منفی یا نزدیک صفر این ساختاره کاربرده و نتاج جالبی در حوزه آنتن و انتشار امواج در موجبرها شده است. که به عنوان مثال می توان کاربرد این مواد در ساختارهای آنتن های میکرواستریپ و موجبری ، ساختار مواد مایکروویوی و در ساختار میکرو لنزها اشاره کرد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *