Metamateriaal

Breking van licht van de normaal af

De brekingsindex van een materiaal wordt gegeven door:

${\displaystyle n={\begin{cases}+{\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}&\epsilon _{r},\mu _{r}>0\\-{\sqrt {\epsilon _{r}\mu _{r}}}&\epsilon _{r},\mu _{r}<0\end{cases}}}$

In het geval van een metamateriaal, waarbij de permeabiliteit ${\displaystyle \mu _{r}}$ én permittiviteit ${\displaystyle \epsilon _{r}}$ negatief zijn, is de brekingsindex negatief. Uit de wet van Snellius volgt dat dit betekent dat licht in de andere richting breekt dan normaal, zoals te zien in de figuur hiernaast. Hierdoor kan een metamateriaal als superlens fungeren, doordat een rechthoekig stuk metamateriaal een perfect beeld van het origineel kan creëren. Zo'n superlens kan gebruikt worden in nabije-veld optische rastermicroscoop (SNOM), zodat de tip dicht bij het metamateriaal scant in plaats van de sample zelf.

Voor een metamateriaal is Tsjerenkov-straling in de andere richting, is het Doppler-effect omgekeerd en is de fasesnelheid van een golf dus tegengesteld gericht aan de groepssnelheid en Poynting-vector.

In de natuur komen geen materialen voor waarbij de permittiviteit en permeabiliteit beide negatief zijn voor een bepaalde golflengte. Alle metamaterialen worden dus gesynthetiseerd. De opbouw van een metamateriaal hoeft niet per definitie periodiek te zijn, maar aangezien dit het proces wel vergemakkelijkt, wordt het over het algemeen wel gedaan.

Een veelvoorkomende groep van metamaterialen bestaat uit een periodieke structuur van zogenoemde split-ring resonators. Dit zijn U-vormige metalen ringen en een periodieke structuur hiervan heeft een negatieve permeabiliteit. De negatieve permittiviteit wordt gerealiseerd door een andere periodieke structuur. Vervolgens worden afwisselend lagen van de ene structuur en de andere structuur opgebouwd. Deze periodieke structuren moeten een periodiciteit hebben ter grootte van de golflengte van de elektromagnetische straling waarvoor het materiaal een negatieve brekingsindex moet hebben.

Een metamateriaal kan gebruikt worden om voorwerpen onzichtbaar te maken. Bij een enkele golflengte is dit aangetoond voor een cilindervormige disk.[3] Elektromagnetische golven worden door het metamateriaal zodanig afgebogen dat ze er na het materiaal hetzelfde uitzien als vóór het materiaal. Aangezien er geen verschil in de golf is, is het object niet te detecteren.