3 февраля 2012 г. в ФИАН приехали сотрудники Института теоретической и прикладной электродинамики РАН А.Н.Лагарькова и В.Н.Киселя с докладом о результатах их исследований в области метаматериалов.

Метаматериалами, принято называть композитные материалы, в силу своих структурных особенностей проявляющие свойства, не характерные для природных материалов. В качестве характерных свойств метаматериалов принято рассматривать:
- отрицательные значения электрической и магнитной проницаемости;
- отрицательный коэффициент преломления;
- сильные киральные свойства и др.
Весьма важно различать понятия метаматериалов и фотонных кристаллов: в метаматериалах, в отличие от фотонных кристаллов, размер включений или, как их называют, «мета-атомов» и расстояние между ними должны быть существенно меньше длины волны.
Науке давно известны материалы с отрицательной диэлектрической проницаемостью – это любые металлы, при частотах несколько превышающих плазменную частоту. В этих условиях отрицательное значение электрической проницаемости (ε < 0) обусловлено тем, что свободные электроны в металле экранируют металл от внешнего электромагнитного поля. Однако материалов с отрицательной магнитной проницаемостью (μ < 0) на оптических частотах в природе не существует.
Впервые информация о существовании таких материалов появилась в 1904 г. в работе Г.Лэмба (Lamb H.) опубликованной в журнале Лондонского математического общества. И лишь в 1940 г. речь о них снова зашла в лекциях сотрудника ФИАН Л.И.Мандельштама по оптике, которые он читал в МГУ. Л.И.Мандельштам сообщал, что вследствие отрицательных значений электрической и магнитной проницаемости в таких материалах возникают электромагнитные волны, у которых фазовая и групповая скорости имеют противоположные направления и в результате возникает отрицательное лучепреломление на границе двух сред, в которых наблюдается противоположное направление векторов групповой и фазовой скоростей волны.
Соответствующие явления на границе раздела с гиротропной средой были рассмотрены также в известной монографии В.Н. Аграновича и В.Л. Гинзбурга, вышедшей в 1965 г.
В 1967 г. сотрудник ФИАН В.Г. Веселаго выдвинул гипотезу о существовании материалов с отрицательным показателем преломления (УФН, 1967, т. 92, с. 517). Он убедительно доказал, что они будут обладать совершенно иными свойствами, в частности отрицательным преломлением электромагнитной волны при прохождении границы раздела двух сред, аномальными эффектами Допплера и Вавилова-Черенкова. Широкую известность получили эксперименты с так называемой «линзой Веселаго».
В 1999 г. английский ученый Д.Пендри (Pendry J.) получил отрицательную магнитную проницаемость, используя электропроводящее кольцо с зазором. Само кольцо представляло собой виток проводника, обладающий собственной индуктивностью, зазор же обладал свойствами конденсатора, обладающего некоторой ёмкостью, что в совокупности образовывало простейший колебательный контур.
Сотрудники Института теоретической и прикладной электродинамики РАН А.Н.Лагарьков и В.Н.Кисель в своём докладе, в частности, сообщили о проведённых ими исследованиях композитов с различными резонансными включениями, позволяющими получить резонансные характеристики, при которых в определённых диапазонах обеспечиваются требуемые характеристики метаматериала. Докладчики подробно изложили свой взгляд на возможности компенсации потерь в метаматериалах.
Перспективными являются направления исследований, такие как поглощение энергии всенаправленного источника и беспроводная передача энергии в системах с метаматериалом. Использование метаматериалов открывает новые возможности для разработки различных СВЧ- и оптических устройств. В этот список входят фокусирующие системы, нанолазеры, поглотители, резонаторы и многие другие устройства. Разработка новых электромагнитных материалов с элементарной ячейкой, обладающей заранее заданными свойствами, не всегда встречающимися в природе, - это новое направление в технологиях, сулящее огромные перспективы.

 На снимке: метаматериал кубической формы, представляющий собой систему резонаторов, собранную из медных элементов – пар концентрических разомкнутых колец квадратной формы. Шаг решетки — 2,68 мм. (www.sciam.ru)

Комментируя событие, главный научный сотрудник Сектора теории взаимодействия излучения с веществом ФИАН, доктор физико-математических наук Василий Климов сообщил: «Данный доклад представляет знаменательное явление в научной жизни ФИАН. Авторы убедительно показали важность, актуальность и, самое главное, - практическую реализуемость многих идей, которые ранее казались фантастическими. Чрезвычайно важно и то, что экспериментальные работы по проверке уникальных свойств метаматериалов проводились в России. Это говорит о том, что российская наука занимает одну из лидирующих позиций в области метаматериалов и их применений. Еще одним важным аспектом данного семинара является то, что он, несомненно, активизирует исследования в этой области в ФИАНе. Сейчас в ФИАНе исследованием метаматериалов занимается наша группа по нано-оптике и наноплазмонике с привлечением нескольких студентов и аспирантов. Сразу после семинара несколько ученых высказали интерес к работе в этом направлении и мы надеемся, что в скором времени число публикаций от ФИАН в этой области существенно возрастет. Наличие такого научного ядра станет важным фактором в развертывании сколковского проекта «Квантовые метаматериалы» на базе ФИАН».

АНИ «ФИАН-информ»