Que sont les métamatériaux ? Quels sont les types et les applications ?

1) Qu'est-ce qu'un métamatériau ?

Les premières recherches sur les métamatériaux ont porté sur les métamatériaux à indice de réfraction négatif. En 1968, Veselago, un scientifique soviétique, a proposé pour la première fois le concept de matériaux à permittivité et perméabilité négatives, et a prédit que la réfraction négative et les effets Doppler inversés pourraient être réalisés avec ces matériaux. Lorsque la constante diélectrique et la perméabilité magnétique sont toutes deux négatives, la relation entre le champ électrique E, le champ magnétique H et le vecteur d'onde k n'est plus conforme à la règle de l'hélice droite, mais satisfait à la règle de la main gauche, raison pour laquelle ces matériaux sont également connus sous le nom de "matériaux gauchers", mais ces caractéristiques n'existent pas dans les matériaux naturels. Ce n'est qu'en 1996 et 1999 que le concept de métamatériaux a été introduit par les scientifiques britanniques Pendry et al. lorsqu'ils ont conçu une structure de fil métallique disposée périodiquement et une structure d'anneau de résonance ouvert (SRR) et ont démontré qu'une permittivité équivalente négative et une perméabilité négative pouvaient être réalisées, respectivement.

(A) Schéma d'un résonateur à anneau divisé (SRR) et (B) schéma d'un réseau de métamatériaux utilisé pour démontrer l'indice de réfraction négatif formé par un réseau carré de résonateurs à anneau divisé qui confère une perméabilité magnétique négative au matériau.

Le terme "métamatériau" a été inventé par le professeur Rodger M. Walser pour décrire des matériaux composites tridimensionnels créés artificiellement et dotés de structures périodiques qui n'existent pas dans la nature. Les métamatériaux sont des matériaux artificiels dotés de propriétés physiques extraordinaires que l'on ne trouve pas dans les matériaux naturels. Les métamatériaux sont des matériaux artificiels dotés de propriétés physiques extraordinaires que l'on ne trouve pas dans les matériaux naturels. Les métamatériaux sont conçus avec des motifs ou des structures à l'échelle du micron ou du nanomètre qui leur permettent d'interagir avec la lumière ou d'autres formes d'énergie d'une manière qui n'existe pas dans la nature. Parmi les métamatériaux typiques, on peut citer les matériaux gauches, les cristaux photoniques, les matériaux supermagnétiques et l'eau métallique.

Les métamatériaux sont souvent associés aux nanotechnologies, car la structure de l'unité répétitive dans les applications optiques est mesurée en nanomètres. La création de métamatériaux pourrait n'être possible que grâce aux nanotechnologies. Les progrès futurs des nanotechnologies au cours des prochaines décennies permettront de créer davantage de nouveaux métamatériaux et de réduire leurs coûts de fabrication.

2. les propriétés des métamatériaux

① Les métamatériaux sont des matériaux conçus et fabriqués artificiellement plutôt que des matériaux naturels ;

②Les métamatériaux sont des matériaux composites ou hybrides plutôt que des matériaux simples ou purs ;

(iii) Les métamatériaux présentent des propriétés physiques qui sont supérieures à la normale et qui ne sont pas celles de tous les matériaux naturels, comme un indice de réfraction négatif, une perméabilité magnétique négative, une constante diélectrique négative et un effet Doppler inverse ;

④ Il est possible de fabriquer des métamatériaux capables de manipuler efficacement les ondes lumineuses, électromagnétiques et acoustiques en modifiant la structure de l'unité de base, la forme, l'orientation, l'arrangement et d'autres propriétés physiques du matériau ;

3. les types de métamatériaux

  • métamatériaux électromagnétiques
  • métamatériaux acoustiques
  • Métamatériaux mécaniques
  • métamatériaux

4、Scénarios d'application des métamatériaux

  • microlentilles

Une superlentille est une structure de lentille planaire bidimensionnelle composée d'un élément optique qui concentre la lumière à partir d'une ultra-surface. Elle a été saluée comme l'une des 10 meilleures technologies émergentes de 2019. Lorsque l'indice de réfraction est positif, les lentilles conventionnelles sont incapables de focaliser avec précision la lumière dans des zones plus petites que la longueur d'onde carrée en raison du taux de décroissance exponentiel de l'onde évanescente. Comme l'a découvert Ernst Karl Abbey, les lentilles conventionnelles sont limitées par la limite de diffraction ; cependant, les superlentilles (ou superlentilles) utilisent des métamatériaux pour dépasser la limite de diffraction en obtenant un indice de réfraction de -1. La lumière pénètre dans la superlentille et forme un angle négatif ou un indice de réfraction négatif, comme le montre la figure 3, a une normale de surface et subit un effet de double focalisation. Pour obtenir une hyperlentille, le métamatériau doit avoir une constante diélectrique négative et une perméabilité négative afin de convertir les informations sur les objets sub-longueur d'onde et de reproduire l'image sans distorsion ni perte d'information. La lentille peut également projeter des ondes évanescentes entre l'objet situé d'un côté de la plaque et l'image formée de l'autre côté de la lentille.

Lumière pénétrant dans des métamatériaux à indice de réfraction négatif

La superlentille présente les avantages d'une taille plus fine, d'un poids plus léger, d'un coût plus faible, d'une meilleure imagerie et d'une intégration plus facile. En outre, la forme, le sens de rotation, la hauteur et d'autres paramètres de la structure peuvent être ajustés pour réguler les propriétés de la lumière telles que la polarisation, la phase et l'amplitude. Les superlentilles peuvent être utilisées pour la protection contre les tremblements de terre et les tsunamis, l'imagerie à super-résolution, la photonique quantique, l'optique non linéaire, la biodétection, les composants de chemin optique et la photolithographie, parmi de nombreuses autres applications.

Lentille conventionnelle et super lentille

 

  • absorbeur solaire

Les dispositifs photovoltaïques sont largement utilisés pour convertir la lumière du soleil en électricité. Cependant, ils ne peuvent convertir qu'une partie limitée du spectre solaire, et leur efficacité est limitée par le phénomène de ShockleyQuaiser's Limit(Uniquep-n(Limite théorique de la conversion d'énergie pouvant être obtenue par une cellule solaire nodale)Limites. Le développement de la plasmonique de surface et des antennes optiques plasmoniques pour les technologies d'absorption de la lumière constitue une avancée majeure due aux métamatériaux. Les excitations plasmoniques de surface ont la capacité de diriger, de concentrer et de diffuser la lumière à l'échelle nanométrique.le laisserdeviennent idéales pour améliorer l'absorption de la lumière dans les cellules solaires. Les limites des cellules solaires photovoltaïques conventionnelles sont les suivantes(coll.) échouer (un étudiant)L'épaisseur de la cellule solaire est inférieure à 100 µmL'efficacité de larondefaible ; cependant, lorsqueréaliserCe problème se pose lorsque la structure du plasmacommandant en chef (militaire)Il a été décidé qu'il pourraitexistentAugmentation simultanée du champ électrique(math.) genredéclinpilesL'épaisseur et lale rendre plusmince. En outre, des excitations plasmatiques de surface se produisent sur la surface du métamatériaunom de famille Shiqui peuvent être utilisées pour contrôler les interactions se produisant à l'intérieur du dispositif d'absorption de la lumière et pour augmenter de manière significative le champ électrique près de la surface. Les antennes optiques à plasma font également l'objet d'études, car elles peuvent accroître considérablement l'efficacité des cellules solaires tout en réduisant sensiblement la taille du dispositif. Le comportement de ces antennes est similaire à celui d'un collecteur de lumière, réduisant les pertes par réflexion tout en augmentant la section transversale d'absorption.

 

Schéma de l'absorbeur.(a)Structure du tableau ;(b)Structure de l'unité d'absorption ;(c)Vue de dessus de l'unité d'absorption ;(d)Schéma du processus de préparation

 
  • Transfert d'énergie sans fil (WPT)

Transfert d'énergie sans fil : transmission d'énergie électrique sans lien physique entre les appareils. Un champ électromagnétique est généré entre un émetteur et un récepteur pour transférer l'énergie, et cette technologie est utilisée dans des dispositifs tels que les chargeurs sans fil, les implants biomédicaux et les véhicules électriques. Étant donné que de plus en plus d'appareils deviennent sans fil et que les métamatériaux se sont révélés prometteurs pour rendre ces systèmes plus efficaces, le besoin de systèmes de transfert d'énergie sans fil (WPT) plus efficaces ne cesse de croître.

 

Résonance à couplage magnétique à double charge reconfigurable en fréquence avec des métamatériaux reconfigurables en fréquence(MRC)-transmission d'énergie électrique sans fil(WFT)systèmes 

  • Détection du cancer

Détection du cancer: :Détection des cellules malignes dans le corps. Le principe de base de la détection du cancer par des capteurs à métamatériaux est le suivant : étant donné que les tumeurs ont une teneur en eau plus élevée que les tissus normaux, la fréquence des micro-ondes des capteurs à métamatériaux est plus élevée que celle des tissus normaux.εrépondre en chantantμsont plus élevées que celles des tissus normaux, de sorte que la constante diélectrique de l'échantillon peut être mesurée pour déterminer s'il s'agit d'une tumeur maligne ou non.Spada et al.Un biocapteur constitué d'un réseau de résonateurs métalliques complémentaires en forme d'oméga est présenté. Les chercheurs ont réussi à créer un biocapteur très sensible pour distinguer les tissus malins des tissus normaux parce qu'un champ électromagnétique est situé autour des résonateurs métamatériaux, ce qui renforce l'interaction entre le champ et l'échantillon.

 

Bien que les métamatériaux présentent encore de nombreuses limites et lacunes, leurs caractéristiques particulières leur confèrent de vastes perspectives d'application dans de nombreux domaines tels que la défense nationale, l'aviation et la construction, attirant ainsi l'attention de nombreux chercheurs. La technologie de production et d'application continuant à mûrir, l'industrie mondiale des métamatériaux comptera de plus en plus d'entreprises, la taille du marché continuera à croître à un rythme élevé, la taille du marché mondial des métamatériaux devrait atteindre 10 milliards de yuans en 2026, l'industrie a d'excellentes perspectives de développement.

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