Τα αριστερόστροφα υλικά και οι ιδιότητες τους

Συχνές ερωτήσεις, Σεπτέμβριος 2003

Τα υλικά αυτά, που δεν υπάρχουν στη φύση αλλά είναι τεχνητά κατασκευασμένα και γι' αυτό λέγονται μετα-υλικά, έχουν μερικές ιδιότητες αντίστροφες από αυτές που γνωρίζουμε από τους νόμους της οπτικής, της ακουστικής ή του ηλεκτρομαγνητισμού.

Για παράδειγμα ο δείκτης διάθλασης είναι αρνητικός, έτσι η διαθλώμενη ακτίνα απομακρύνεται από την κάθετο αντί να την πλησιάζει. Στον ηλεκτρομαγνητισμό δεν ισχύει για τα υλικά αυτά ο περίφημος νόμος του δεξιού χεριού αλλά του αριστερού και στο φαινόμενο Doppler, της ακουστικής, αντί να έχουμε αύξηση της συχνότητας για αντικείμενα που μας πλησιάζουν έχουμε μείωση της. Δηλαδή στα υλικά αυτά έχουμε μια σειρά αντίθετων φαινομένων από τους συνηθισμένους κανόνες της φυσικής.

Γενικά, τα υλικά αυτά έχουν δύο ηλεκτρομαγνητικές παραμέτρους, τη μαγνητική διαπερατότητα μ και τη διηλεκτρική σταθερά ε, που είναι ταυτόχρονα αρνητικά και οι οποίες καθορίζουν με ποιο τρόπο θα αλληλεπιδράσει το υλικό με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία.

Σημειώστε ότι ο όρος "αριστερόστροφα" δεν αναφέρεται είτε στο τρόπο που στρέφουν το φως (όπως κάνουν μερικά σάκχαρα), είτε στο σπάσιμο της συμμετρίας. Αυτός ο ορισμός αναφέρεται στο ότι υπακούουν στο νόμο του αριστερού χεριού και παράγουν ασυνήθιστα φαινόμενα.

Μερικοί άλλοι όροι για τα αριστερόστροφα υλικά (LHM) είναι ο όρος διπλά αρνητικά υλικά (DNG), γιατί και η μαγνητική διαπερατότητα και η διηλεκτρική σταθερά είναι αρνητικές. Επίσης υλικά αρνητικού δείκτη (ΝΙΜ) ή υλικά αρνητικής διάθλασης (MNR). Και τέλος, επειδή αντιστρέφουν τη φάση και την ταχύτητα ομάδας, λέγονται υλικά με οπισθοδρομικά κύματα (Backward wave materials).

Η ιστορία των αριστερόστροφων υλικών

Το 1964 ένας Σοβιετικός φυσικός, ο Victor Veselago, δημοσίευσε τα χαρακτηριστικά ενός τέτοιου υποθετικού υλικού. Διερεύνησε τις ιδιότητές του μέσω των ηλεκτρομαγνητικών εξισώσεων του Maxwell και συμπέρανε ότι αυτό το υλικό θα είχε αρνητικό δείκτη διάθλασης, δηλαδή ταυτόχρονα αρνητική διηλεκτρική σταθερά και μαγνητική διαπερατότητα. Υπό ειδικές συνθήκες, γνώριζαν οι επιστήμονες ότι κάποια μέταλλα και ημιαγωγοί εμφάνιζαν τέτοια ιδιότητα, αλλά είτε ως προς τον ηλεκτρισμό είτε ως προς τον μαγνητισμό. Ποτέ ταυτόχρονα και ήταν η πρώτη φορά που κάποιος ισχυριζόταν ότι ήταν εφικτή η συνύπαρξη. Φυσικά αυτή ήταν μια θεωρητική μαθηματική μελέτη και δεν υποδείκνυε έναν τρόπο κατασκευής του υποθετικού αυτού υλικού.

Ο δείκτης διάθλασης  n ενός υλικού υπολογίζεται σε σχέση με τις δύο σταθερές από τον τύπο  .
Αν οι τιμές των ε και μ είναι και οι δύο αρνητικές το φως εξακολουθεί να διαδίδεται χωρίς να παραβιάζονται οι νόμοι της φυσικής. Στην περίπτωση αυτή όμως για λόγους διατήρησης της ενέργειας πρέπει η τετραγωνική ρίζα της παραπάνω σχέσης να έχει αρνητικό πρόσημο κι έτσι ο δείκτης διάθλασης αποκτά αρνητική τιμή.

Πέρασαν τρεις δεκαετίες και το θέμα που έθεσε ο Veselago είχε αγνοηθεί ως το 1996, οπότε άρχισαν να υλοποιούνται τα πρώτα φωτονικά υλικά στα εργαστήρια. Τότε ο φυσικός John Pendry, του Imperial College του Λονδίνου, άρχισε τη μελέτη μικροδομών με παράλληλα αγώγιμα σύρματα. Σημείωσε ότι αυτές οι κατασκευές μπορούσαν να αναστρέψουν το ηλεκτρικό πεδίο του φωτός.

Αριστερά: Το πλακίδιο αυτό είναι ένα από τα βασικά δομικά στοιχεία των μετα-υλικών που χρησιμοποιούν στα πειράματά τους οι ερευνητές. Διακρίνονται σύρματα και διακεκομμένοι δακτύλιοι χαλκού, εμφυτευμένοι σε κοινή πλάκα τυπωμένων κυκλωμάτων.

Το 1999 εισηγήθηκε μια άλλη διάταξη, διακεκομμένων δακτυλίων χαλκού (SRR), που  αυτή τη φορά μπορούσε να αντιστρέψει το μαγνητικό πεδίο, να μιμηθεί δηλαδή τη συμπεριφορά μαγνητικού υλικού με αρνητική διαπερατότητα σε συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων.

Οι διαστάσεις, οι γεωμετρικές λεπτομέρειες και ο σχετικός προσδιορισμός θέσης του σύρματος και του SRR επηρεάζουν έντονα τις ιδιότητες του σύνθετου μετα-υλικού.

Για την αντιστροφή του ηλεκτρικού ή του μαγνητικού πεδίου αρκούσε μια διάταξη κοινών αγώγιμων υλικών. Αν μπορούσε κανείς να συνδυάσει τα δύο είδη διατάξεων θα έφτιαχνε ίσως το υποθετικό υλικό που είχε οραματισθεί ο Veselago.

Το 2000 ο Pendry υπολόγισε ότι ένα τέτοιο υλικό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή του τέλειου φακού - ενός φακού του οποίου η ανάλυση δεν θα περιοριζόταν από το μήκος κύματος του φωτός, η εστίαση θα ήταν τέλεια και τα είδωλα θα ήταν ευκρινέστερα από ποτέ. Και καθώς μια επίπεδη επιφάνεια αυτού του υλικού εστιάζει το φως αντί να το διαχέει, ο τέλειος φακός θα ήταν επίπεδος.

Φωτογραφία ενός πλέγματος από που  παρουσιάζει αρνητικό δείκτη διάθλασης.   Η σύνθεσή του οφείλεται στον Andrew Houck και τους συνεργάτες του από το ΜΙΤ. Η διάταξη των διακριτών τετραγώνων που περιέχουν τους δακτυλίους συντονισμού σχήματος C, είναι το υλικό που παρουσιάζει αρνητική μαγνητική επιδεκτικότητα, ενώ η διάταξη των ευθύγραμμων συρμάτων είναι το υλικό με  την αρνητική διηλεκτρική σταθερά. 

Την κατασκευή τελικά την έκανε η ομάδα Smith, Schultz και άλλων ερευνητών από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο (UCSD), την επόμενη χρονιά. Αφού επέδειξαν το νέο τους υλικό σε διάφορα συνέδρια έλκυσαν μεγάλο ενδιαφέρον, αλλά και μεγάλη αντίδραση. Γιατί επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Austin στο Τέξας, και του Εθνικού Ιδρύματος Ερευνών της Ισπανίας αντέτειναν ότι αν ο τέλειος φακός υπήρχε θα επέτρεπε τη διέλευση φωτεινών ακτίνων με ταχύτητες μεγαλύτερες του φωτός, που δεν ισχύει.

Το επιχείρημα ενώ έμοιαζε να ευσταθεί πειραματικά όμως συνέβαινε. Ο καθηγητής του Πανεπιστημίου της Αϊόβας Κώστας Σούκουλης και η ομάδα του Ινστιτούτου Ηλεκτρονικής Δομής και Λέιζερ του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας στο Ηράκλειο Κρήτης απέδειξαν ότι κατά τη στιγμή της διέλευσης από δεξιόστροφο σε αριστερόστροφο υλικό το φως διαθλάται μεν αρνητικά αλλά όχι αμέσως. Παγιδεύεται στιγμιαία στα σύνορα της αριστερόστροφης επιφάνειας, πράγμα που δημιουργεί την εντύπωση ότι οι εξώτερες ακτίνες της δέσμης του ταξιδεύουν ταχύτερα.

Πρόσφατες ανακοινώσεις για τα αριστερόστροφα υλικά γεννούν ελπίδες εφαρμογής σε πολλά πεδία: Οι κεραίες των κινητών τηλεφώνων θα μπορούν να έχουν πολύ καλύτερη λήψη, ενώ θα εκπέμπουν πολύ χαμηλότερη ακτινοβολία στον χειριστή τους. Οι οθόνες τηλεοράσεων και υπολογιστών θα αλλάξουν ριζικά, καθώς τα αριστερόστροφα υλικά δημιουργούν - κατά τους ερευνητές του Πανεπιστημίου της Γιούτα - ανακλάσεις που επιτρέπουν τρισδιάστατη θέαση. Οι μαγνητικοί τομογράφοι θα εστιάζουν καλύτερα και πιο ποικιλότροπα. Η φωτολιθογραφία - που χρησιμοποιείται για την παραγωγή τυπωμένων κυκλωμάτων - θα επιτρέψει πλέον τον σχεδιασμό ακόμη πιο πυκνών διατάξεων, άρα και κυκλωμάτων πολύ μικρών διαστάσεων. Επίσης η δυνατότητα εστίασης σε ελάχιστη απόσταση από επίπεδο φακό θα επιτρέψει στην οπτική βιομηχανία να κατασκευάσει όχι μόνον πανάλαφρους και πολύ μικρούς φακούς, αλλά και μικροσκόπια που θα βλέπουν σε ατομική κλίμακα.

Επίσης μια άλλη εξαίρετη ιδιότητα των υλικών αυτών είναι ότι μπορούν να κατευθύνουν με ακρίβεια δέσμες ακτίνων σε πολύ μεγάλη απόσταση. Τέλος, υπάρχει και η φοβερή ιδιότητά τους να μην αντανακλούν τίποτε, οπότε είναι ορατή και η εφαρμογή τους στο λεγόμενο "τύφλωμα των ραντάρ".