Was sind elektromagnetische Metamaterialien?
Elektromagnetische Metamaterialien sind Verbindungen mit einzigartigen strukturellen und chemischen Eigenschaften, die für die Materialien selbst nicht natürlich sind. Es entstehen nanoskalige Oberflächen, die die Reaktion des Metamaterials auf gewöhnliches Licht sowie andere Arten von Strahlung wie Mikrowellenstrahlung beeinflussen können, da die Strukturmerkmale kleiner sind als die tatsächliche Wellenlänge der Strahlung. Eigenschaften solcher elektromagnetischen Metamaterialien, die häufig erzeugt werden, um angezeigt zu werden, umfassen einzigartige dielektrische Effekte sowie einen negativen Brechungsindex mit Silbermetamaterialien, die verwendet werden könnten, um eine Superlinse herzustellen, die Merkmale von wenigen Nanometern Größe auflösen könnte, oder um das Innere von zu betrachten Nicht magnetische Gegenstände.
Während elektromagnetische Metamaterialien ein breites Anwendungsspektrum haben, lag der Schwerpunkt der Forschung an solchen Materialien ab 2011 in der Mikrowellentechnik für moderne Antennen und andere magnetbezogene Systeme. Diese künstlich strukturierten Materialien können Magnetismusmerkmale in Gegenwart von Mikrowellenfeldern oder Terahertz-Infrarotfeldern entwickeln, die direkt zwischen dem Mikrowellen- und dem sichtbaren Lichtbereich des elektromagnetischen (EM) Spektrums liegen. Solche Materialien wären ansonsten nicht magnetisch, und die Stimulierung dieser Eigenschaft in ihnen wird in der Physik als Erzeugung von Linkshänder-Verhalten (LH) bezeichnet. Die Erzeugung eines solchen Verhaltens in nichtmagnetischen Vorrichtungen wäre für die Herstellung fortschrittlicher Filter und strahlverschiebender oder phasenverschiebender Elektronik von entscheidender Bedeutung.
Die Verwendung von Metamaterialien würde elektronische Komponenten weiter miniaturisieren sowie Schaltungen und Antennen für verschiedene Bänder des EM-Bereichs selektiver empfänglicher oder undurchlässiger machen. Ein Beispiel für eine Anwendung für eine feinere Kontrolle über elektromagnetische Wellen wäre die GPS-Technologie (Global Positioning System), die ein genaueres Positionssignal senden oder blockieren könnte, als dies derzeit in militärischen Ziel- und Störumgebungen möglich ist. Diese verbesserte Fähigkeit wird durch die Tatsache ermöglicht, dass elektromagnetische Metamaterialien eine künstlich strukturierte Materialform sind, die sowohl mit elektromagnetischen Umgebungswellen interagiert als auch diese steuert, wodurch die Materialien sowohl Sender als auch Empfänger sind.
Die Arten von Metamaterialien, die diese Eigenschaften aufweisen, weisen strukturelle Merkmale auf, die in der Größenordnung des Angstroms oder in einer Größe von etwa einem Zehntel Nanometer konstruiert wurden. Dies erfordert gemeinsame Anstrengungen mehrerer Wissenschaftsbereiche, um solche Materialien herzustellen, einschließlich Physik, Chemie und Ingenieurwesen in der Nanotechnologie und Materialwissenschaft. Gold-, Silber- und Kupfermetalle sowie Plasmen und photonische Kristalle sind Materialien, die zum Aufbau solcher elektromagnetischer Metamaterialien verwendet wurden, und die Verwendung von Metamaterialien findet im Laufe der Wissenschaft zunehmend Anwendung auf dem Gebiet der Optik. Es wird vermutet, dass durch solche Metamaterialien irgendwann eine Art elektromagnetisches Unsichtbarkeitsfeld erzeugt werden könnte, in dem sichtbares Licht um sie herum gebogen werden könnte, um ihre Anwesenheit zu verbergen.