Профессор университета Дьюка (Дюрэм, штат Северная Каролина, США) Ярослав Уржумов предложил метод усиления магнитной составляющей электромагнитных колебаний без увеличения при этом их электрической составляющей. Дело в том, что биологические ткани для магнитных полей прозрачны, и было бы полезно научиться усиливать именно магнитную составляющую электромагнитных колебаний.
Это открыло бы путь к созданию безопасных левитирующих поездов, к построению новых систем беспроводной передачи энергии, и к решению ряда других задач, где есть потребность в сильных переменных магнитных полях, и в то же время это должно быть безопасным для человека. Новые системы будут экономичнее и безопаснее уже существующих аналогов.
Численное моделирование, проведенное Ярославом и его коллегами, показало, что созданные на основе метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, макроскопические объекты способны при ряде условий усиливать магнитные силы в низкочастотных полях. Это явление исследователи назвали магнитостатическим поверхностным резонансом, который по принципу похож на имеющий место в оптике плазмонный поверхностный резонанс, проявляющийся в материалах с отрицательной диэлектрической проницаемостью.
Смоделированный учеными метаматериал, отличающийся очень высокой, особой анизотропией, обладает отрицательной в одном направлении магнитной проницаемостью, а во всех остальных направлениях магнитная проницаемость положительна. Судя по расчетам, изготовленные объекты будут способны резко усиливать магнитное поле именно за счет резонанса.
Применение этого явления в системах магнитной левитации позволит увеличить массу поднимаемых объектов во много раз, причем затраты электроэнергии, по сравнению с традиционными аналогами, не возрастут. Автор разработки, бывший студент московского физтеха, Ярослав Уржумов уверен в успехе.
Новые системы необычного управления магнитными силами в электромагнитных полях смогут работать и в других областях, как то: крохотные оптические пинцеты для удерживания атомов, или новейшее электромагнитное оружие.
Сюда же могут быть отнесены и системы технологии WiTricity, служащие для беспроводной передачи энергии посредством сильного пульсирующего магнитного поля, которые совершенно безвредны как для людей, так и для животных.
В соответствии с моделями Ярослава, группа экспериментаторов Бостонского колледжа (Бостон, штат Массачусетс, США) создает прототип такого метаматериала, можно сказать, магнитного усилителя.
Что касается беспроводной передачи посредством магнитных полей, то совсем недавно, совместно с институтом «Тойота», группа Ярослава Уржумова продемонстрировала весьма практичную передачу электроэнергии на расстояние посредством низкочастотных магнитных полей.
Для повышения эффективности передачи, ученые соорудили квадратную суперлинзу, которая помещалась между передатчиком и приемником. Квадратная линза состояла из множества кубиков, покрытых спиралевидными проводниками. Полученные конструкции, обладающие свойством метаматериала, взаимодействуя с магнитными полями, передавали энергию в узком конусе с максимальной интенсивностью.
По одну сторону от суперлинзы помещалась катушка – передатчик, по которой пропускался переменный ток, создававший переменное магнитное поле.
Это магнитное поле, как и положено, снижало свою интенсивность пропорционально квадрату расстояния о тпередатчика, однако благодаря суперлинзе, передатчик, расположенный по другую сторону от нее, принимал достаточное количество энергии даже на расстоянии 30 см. Без применения промежуточной линзы, расстояние передачи не превышало 7,6 см.
Ученый рассказал, что такая беспроводная передача при помощи метаматериалов уже проводилась в лаборатории Mitsubishi Electric, но только на дистанцию, не превышающую размеры передатчика.
Теперь же, с применением именно магнитных полей, достигается высокая безопасность и эффективность.
Магнитные поля не сильно поглощаются большинством материалов, к тому же магнитные поля индукцией до 3 Тл безопасны, и уже используются в томографии.
В перспективе на этой основе возможно создание беспроводных зарядных мини-устройств для электронных гаджетов. Суперлинзы будут фокусировать магнитные поля для зарядки конкретного устройства, причем параметры линз смогут меняться, и фокус будет перемещаться в пространстве, например, следуя за смартфоном, который его владелец носит по комнате, постоянно меняя местоположение.
Смотрите также по теме:
История открытия и природа магнетизма
Магнитная левитация. Что это такое и как это возможно?
- Клетка Фарадея. Работа и применение
- Беспроводная передача электроэнергии — основные способы
- Андрей Повный
Акустический метаматериал научили переключаться под действием магнитного поля
Qiming Wang
Американские инженеры создали метаматериал для блокировки звуковых волн, который можно включать и выключать с помощью внешнего магнитного поля. Механизм выключения реализуется за счет изменения геометрии структуры материала, в составе которого присутствуют магнитные наночастицы, и смены знака его модуля упругости, пишут ученые в Advanced Materials.
С помощью акустических метаматериалов можно менять частоту акустических волн, поворачивать их, заставлять их проходить там, где они обычно пройти не могут, или наоборот — не давать пройти там, где в нормальном состоянии они двигаются без проблем.
Как правило, для создания таких поверхностей используются или периодические структуры, состоящие из массивов акустических микрорезонаторов размером меньше длины волны, но иногда ученые предлагают и другие варианты, основанные на чередовании механических свойств поверхностей без изменения их геометрии. Обычно структуру акустических метаповерхностей сначала рассчитывают на компьютере численно, после чего печатают их на 3D-принтере. Тем не менее, после того, как поверхность готова, обычно с ней ничего сделать уже нельзя, и она обладает, хоть и уникальными, но неизменяемыми свойствами.
Чтобы свойства акустического метаматериала можно было менять уже после его получения, группа американских инженеров под руководством Цимина Вана (Qiming Wang) из Университета Южной Калифорнии разработала способ управления его структурой с помощью магнитного поля. Для этого необходимую структуру печатали из упругого полимерного материала, содержащего магнитные наночастицы из железа. Реагируя на внешнее магнитное поле, частицы фактически становятся источником внешней нагрузки, деформируя материал и изменяя его свойства.
Структура метаматериала и схематическое изображение его внутренней структуры
K. Yu et al./ Advanced Materials, 2018
Для проверки предложенной технологии авторы работы выбрали метаматериал, который блокирует прохождение звуковых волн. Структура материала представляет собой решетку из полых полимерных трубочек, соединенных в небольшую периодическую решетку. Не пропускает через себя звуковые волны такой материал именно за счет правильно подобранной геометрии полостей, благодаря которой для решетки становится характерен отрицательный модуль упругости, то есть в ответ на внешнюю нагрузку такой материал не сжимается, а наоборот, растягивается. Поскольку добиться этого поведения можно только в определенном диапазоне механических напряжений, то выйдя за пределы этого диапазона, материал можно привести в «обычное» состояние с положительным модулем упругости.
Складывание материала при постепенном увеличении внешнего магнитного поля от 0 до 0,4 тесла (i-vi) и после выключения поля (vii)
K. Yu et al./ Advanced Materials, 2018
При включении небольшого внешнего магнитного поля (до 0,4 тесла) материал складывается и за счет такого сжатия можно добиться смены знака модуля упругости. При этом из-за того, что складывание полностью обратимое, метаматериал фактически можно включать и выключать с помощью внешнего магнитного поля.
Инженеры отмечают, что подобный механизм удаленного управления свойствами метаматериалов с возможностью переключения их свойств будет очень полезным для работы различных акустических устройств, и потенциально такое управление можно реализовать для акустических устройств с различными функциями, необходимых, например, для фокусировки, преломления звуковых волн.
Геометрия акустических метаматериалов, которые сейчас получают с помощью 3D-печати, может быть самой разнообразной.
Геометрией, необходимой для выполнения основных функций, могут обладать и достаточно простые геометрии: например, с помощью камеры, состоящей из пяти отсеков, ученые смогли преобразовать эванесцентные волны в обычные звуковые и наоборот.
А с помощью значительно более сложного по структуре сенсора физикам удалось различить три независимых накладывающихся друг на друга источника звука.
Александр Дубов
Проект по улучшению МРТ-сканера с помощью метаматериалов поддержало правительство Санкт-Петербурга
Проект ученых кафедры нанофотоники и метаматериалов по улучшению качества и скорости работы МРТ-сканера занял первое место в конкурсе лучших инновационных проектов в сфере науки и высшего профессионального образования Санкт-Петербурга.
Конкурс проводился правительством города по нескольким номинациям, награждение победителей состоялось в рамках Международного инновационного форума.
Благодаря инновационной идее ученых удастся в два раза сократить время проведения МРТ-исследования, а также удешевить этот процесс.
Конкурс проводился среди научных коллективов, которые работают над инновационными проектами на предприятиях, в вузах Санкт-Петербурга.
Всего было объявлено три номинации: «Лучшая научно-инновационная идея», «Лучшее инновационное бизнес-предложение», «Лучший инновационный продукт».
В каждой номинации также были выделены направления: индустрия наносистем, информационно-телекоммуникационные системы, науки о жизни, рациональное природопользование, транспортные и космические системы, энергоэффективность (и энергоснабжение, ядерная энергетика).
Аспиранты кафедры нанофотоники и метаматериалов Алексей Слобожанюк и Алена Щелокова участвовали в конкурсе в первой номинации по направлению «Науки о жизни» с проектом «Беспроводные радиочастотные катушки для улучшения МР-томографа».
«Мы стараемся принимать участие во всевозможных конкурсах, подходящих под профиль нашего проекта. К сожалению, таких конкурсов немного, но они все же существуют. Мы считаем, что участие в них положительно влияет на развитие проекта, дает мотивацию к развитию, а также является хорошим рекламным инструментом.
Поскольку награждение проходило в рамках Петербургского международного инновационного форума, мы смогли завести новые полезные контакты, напомнить о существовании проекта тем коллегам, с которыми уже были знакомы ранее, а также почерпнуть полезную информацию с семинаров и круглых столов», – прокомментировала Полина Петрова, менеджер проекта, сотрудник Департамента по коммерциализации инноваций кафедры нанофотоники и метаматериалов.
Идея проекта заключается в разработке и выводе на рынок инновационных радиочастотных катушек для улучшения магнитно-резонансного томографа. Сегодня МРТ-диагностика используется во всем мире не только в медицинских целях, но и для проведения различных научных исследований в области биологии, анатомии человека.
Однако само сканирование занимает достаточно много времени, больше, чем компьютерная томография или УЗИ. В течение 25-50 минут человек должен неподвижно лежать в аппарате, что неудобно для пациента и создает очереди на проведение исследования. Это связано с тем, что у явления магнитного резонанса малое соотношение сигнал-шум и, чтобы его повысить, нужно накапливать сигнал.
Именно от этого соотношения во многом зависит качество снимка, то есть резкость изображения.
На соотношение сигнал-шум влияет величина постоянного магнитного поля томографа, которое измеряется в Тесла. Сегодня в российских клиниках в основном используются среднепольные томографы мощностью полтора Тесла, но на смену им уже приходят аппараты в три Тесла.
С их помощью получаются более четкие снимки, однако такие высокие поля уже могут вызывать неблагоприятные последствия для здоровья человека, в том числе перегрев тканей организма.
При этом в научных целях более мощные томографы в семь Тесла уже используются, но и там есть свои недостатки: требуется дорогостоящее и массивное оборудование для охлаждения таких аппаратов.
Таким образом, далее повышать мощность медицинских томографов только за счет усиления магнитного поля нельзя, необходимо искать другие пути улучшения работы МРТ-сканеров, применяемых в больницах.
Именно эту задачу решает научная группа Университета ИТМО. В рамках проекта разрабатываются беспроводные радиочастотные катушки (MetaCoil) для улучшения разрешения МРТ на основе из метаматериалов.
Именно радиочастотные катушки излучают мощный сигнал в диапазоне ультра-коротких волн, который, воздействуя на ткани организма, затем превращается в полезный сигнал и дает изображение исследуемых органов. Этот сигнал можно местно усилить с помощью метаповерхности – периодической структуры из латунных проволок.
Ученые прикрепили эти проволоки к гибкой и тонкой подложке, чтобы внедрить в приемные МР-катушки аппарата.
Оказавшись между пациентом и приемными катушками, метаповерхность увеличивает соотношение сигнал-шум именно в области сканирования: уровень радиочастотного магнитного поля увеличивается, а уровень электрического поля – уменьшается. Таким образом, ученые могут распределять электромагнитные волны внутри томографа более оптимально, то есть усиливать их в той области, в которой нужно.
Результаты МРТ с метаповерхностью и без нее
Экспериментальные исследования разработанной радиочастотной катушки были проведены в Медицинском центре города Лейдена. В качестве объекта исследования было выбрано колено пациента, которое помещалось непосредственно на беспроводную катушку, на основе метаповерхности.
В результате улучшались снимки как с использованием низкопольных томографов, так и с использованием среднепольных. При этом ожидается, что благодаря подложкам из метаповерхности удастся сократить время исследования в 1,7 раза, а также повысить качество снимков в два раза.
Более того, использовать такую катушку-подложку удобно тем, что ее не нужно подключать к МРТ-томографу – она является беспроводной и просто кладется под сканируемую область. Это значит, что клиникам не нужно будет закупать новые мощные сканеры, достаточно будет использовать катушку.
Таким образом, все это снизит себестоимость проведения исследования, улучшит качество диагностики на основе МРТ-сканирования.
Команда проекта намерена разработать радиочастотные катушки с несколькими геометрическими параметрами для сканирования разных частей тела: головы, спины и конечностей. При этом они будут помещены в специальный гипоаллергенный пластиковый корпус.
Это создаст более разнообразную и привлекательную линейку продукции, которой смогут заинтересоваться больше покупателей, то есть медицинские учреждения и МРТ-центры. Старт продаж катушек запланирован разработчиками на 2018-2019 гг.
По предварительным оценкам, для выхода на самоокупаемость необходимо продавать три самых дешевых катушки в месяц. Авторы проекта подсчитали, что потенциально в России работают около трех тысяч аппаратов МРТ, но рынок для продвижения радиочастотной катушки на основе метаматериала открыт и в Японии, Китае, США, Европе, странах СНГ.
В P&S Market Research подсчитали, что в 2015 году продажи аппаратов МРТ в мировом масштабе составили $5,4 млрд. В период с 2016 по 2022 годы этот рынок будет ежегодно расти в среднем на 5%.
WO2017007365A1 — Магнитно-резонансный томограф — Google Patents
- МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНЫЙ ТОМОГРАФ
- Область техники
- Настоящее изобретение относится к области медицинской диагностики и может быть использовано в магнитно-резонансной томографии (МРТ) и магнитно-резонансной спектроскопии (МРС) для повышения качества диагностики внутренних органов человека и животных. Предшествующий уровень техники
На сегодняшний день МРТ является одним из самых информативных методов исследования внутренних органов человека. Качество MP изображения и размер диагностируемой области пациента зависят от величины индукции магнитного поля, в которое помещают пациента, а также характеризуется величиной отношения сигнал/шум, частично зависящей от параметров радиочастотных (РЧ) катушек, которые используются для облучения диагностируемой области РЧ импульсами и для приема РЧ сигнала в дальнейшем.
Уровень сигнала в МРТ зависит от силы статического магнитного поля системы. В течении двух последних десятилетий в основном использовались низкопольные томографы, работающие со статическим полем 1.5 Тесла и ниже.
Недавно сконструированные высокопольные системы со статическим полем 3 Тесла уже успешно используются во многих госпиталях России и мира. Сверх-высокопольные МРТ со статическим полем свыше 3 Тесла разрешены только для научных исследований и на данный момент не допущены для массового сканирования пациентов.
Более высокое статическое магнитное поле дает возможность существенно усовершенствовать характеристики томографа, это связанно с тем, что чем больше сила статического поля, тем выше рабочая частота и больше отношение сигнал/шум [Е. М. Haacke, R. W. Brown, M. R. Thompson, and R.
Venkatesan, Magnetic Resonance Imaging: Principles and Sequence Design. (Wiley, 1999).]. Зависимость отношения сигнал/шум от РЧ параметров в МРТ приближенно определяется как:
где у — гиромагнитное отношение,/- частота РЧ сигнала, τ — длительность РЧ импульса, Вх + — амплитуда магнитного РЧ поля, созданного источником, отвечающая за угол наклона суммарного вектора намагниченности для заданной последовательности импульсов, В{ — выражает чувствительность принимающей катушки, а Раь5 — общая мощность, поглощаемая образцом.
Увеличение критически важного отношения сигнал/шум, позволяет получать достаточный уровень сигнала из закодированного объема гораздо меньшего размера (увеличение разрешения изображения) или получать изображения того же качества, но гораздо быстрее, в связи с отсутствием необходимости накапливать сигнал [J. М. Theysohn, О. Kraff, S. Maderwald, М. Schlamann, A. de Greiff М. Forsting, S. Ladd, M. Ladd, and E. Gizewski, Hippocampus 19, 1 (2009)].
Однако существует рад проблем при использовании высокопольных
MPT: 1) из-за малого объема накопленных данных влияние сверх- высокопольных МРТ на организм человека не изучено, и многие неблагоприятные эффекты (например: головокружение и тошнота) проявляются уже при помещении пациента в МРТ с силой поля 3 Тесла [R. J. Stafford, Medical Physics 32, 2077 (2005)]; 2) многим пациентам с различными имплантами разрешено сканирование в томографах с силой 1.
5 Тесла, но запрещено сканирование в 3 Тесла томографах [Е. Kanal, A. J. Barkovich, С. Bell, and et al., Journal of Magnetic Resonance Imaging 37, 501 (2013)]. Таким образом, улучшение характеристик низкопольных МРТ (в частности увеличение отношения сигнал/шум), является критически важной проблемой.
Проблема обеспечения безопасности в МРТ главным образом определяется вычислением удельного коэффициента поглощения, который показывает количество поглощенной электромагнитной энергии и, следовательно, риск нагрева ткани из-за применения РЧ импульсов, необходимых для получения MP сигнала. Удельный коэффициент поглощения пропорционален квадрату амплитуды наведенного электрического поля.
В действительности, чрезвычайно важно минимизировать РЧ электрическое поле в области пациента.
Эффективность РЧ катушек можно увеличить, используя диэлектрические пластинки с высокой диэлектрической проницаемостью. В работе [Q. X. Yang, J. Wang, J. Wang, С. M. Collins, С. Wang, and M. B. Smith, Magn. Reson. Med.
65, 358 (201 1)] продемонстрировано, что материал с высокой диэлектрической проницаемостью, расположенный между РЧ катушками и объектом, способен увеличить РЧ магнитное поле.
Недостатками такого технического решения являются относительно слабая величина общего усиления, что связано с нерезонансным характером пластин, а также усиление электрического поля около пациента.
Возможность перераспределения РЧ магнитного поля описана в работе [М. J. Freire, R. Marques, & L. Jelinek, Appl. Phys. Lett. 93, 231 108 (2008)]. Показано, что возможно сконструировать специальные линзы на основе метаматериала, которые обладают отрицательной магнитной проницаемостью μ=- 1 на рабочей частоте 1.5 Т MP томографа.
Такие линзы способны передавать распределение РЧ поля в плоскости за линзой в любую другую эквивалентную плоскость перед ней, без потери сигнала. Кроме того показано, что линзы на основе метаматериалов могут быть использованы как согласующие устройства между РЧ катушкой и образцом.
Недостатками такой линзы на основе метаматериала являются наличие потерь из-за влияния подложки и электронных компонент, поэтому метаматериальная линза может быть использована только на определенных расстояниях между катушкой и образцом.
Кроме того, распределение магнитного поля в области исследуемого объекта довольно неоднородно в связи с дискретностью структуры. Более того в зазорах между элементами линзы образуются локальные максимумы электрического поля.
Новая технология сократит время сканирования МРТ до пяти минут — Экологически чистое строительство
Исследователь радиологии из Бостонского университета, Сяогуан Чжао говорит:“Использование магнитно-резонансной томографии, более известной как МРТ, для полного сканирования мозга или других органов, занимает много времени. Пациенты должны оставаться в неподвижном состоянии около часа, пока инструмент производит сканирование”.
Сяогуан Чжао совместно с инженером Бостонского университета Синь Чжаном и другими коллегами, разработал устройство, которое может сократить время, необходимое для выполнения МРТ-сканирования, и повышает качество изображения.
Сяогуан Чжао говорит:“Мы можем ускорить обследование при помощи МРТ, более чем в 10 раз”.
Это также означает, что радиологам не нужно повышать напряженность магнитного поля МРТ, чтобы получить более четкие изображения. Это поможет снизить электрические расходы на эксплуатацию аппарата МРТ. Устройство также может сделать МРТ более безопасным для определенных пациентов.
Что может новое устройство и как оно выглядит?
Сяогуан Чжао объясняет:“Это в основном медный провод, обернутый вокруг пластиковой лески с несколькими встроенными диодами. Затем это повторяется в узком кругу.
Мы называем это метаматериалом, потому что эта структура придает ему свойства, которых у медной проволоки нет. С медным проводом просто без какого-либо добавления у вас ничего не выйдет.
Но с этой структурой, она может приобретать дополнительные свойства”.
Было обнаружено, что этот тип метаматериала может взаимодействовать с электромагнитными волнами. Также он служит для усиления магнитных компонентов магнитного резонанса. Того, что МРТ используют для изображения. Таким образом, сканируемый объект помещается поверх метаматериала, и это действительно помогает получать изображения в этом диагностическом сканировании.
Но как это работает?
Для начала нужно понять, как работает МРТ. МРТ излучают статическое магнитное поле. Это выравнивает протоны с этим полем. Затем аппарат МРТ излучает радиочастотную волну, которая проходит через объект или пациента и активирует протоны. Когда эта мощная радиочастота отключается, протоны расслабляются и генерируют магнитное поле, которое обнаруживается и считывается машиной МРТ.
Новый метаматериал может усиливать это небольшое магнитное поле. Он усиливает сигнал, принимаемый детекторами МРТ, и таким образом улучшается сигнал. Но ведь это устройство, усиливает сигнал от человеческого организма.
Это значит, что когда МРТ излучает радиоволны в организм человека, и если метаматериал всегда включен, это также увеличивает мощность радиоволн МРТ.
Тогда мощность может быть слишком высокой и это потенциально может причинить вред человеческому организму?
Однако, компонент в устройстве может ощущать силу энергии и отключаться, когда энергия слишком высока. Устройство включается только тогда, когда человеческое тело излучает сигнал.
Преимущества данного устройства.
Поскольку метаматериал может усилить сигнал в 10 раз, это значит, что время сканирование значительно уменьшается. Так что если раньше нужен был целый час для того, чтобы сканировать мозг, теперь достаточно пяти минут. Это может увеличить пропускную способность, чтобы врачи могли принять больше пациентов и снизить расходы.
Источник: https://leisurecentre.ru/novaya-texnologiya-sokratit-vremya-skanirovaniya-mrt-do-pyati-minut/
Придуман метаматериал для усиления магнитных полей
Разработка может пригодиться для систем магнитной левитации, беспроводной передачи энергии или в других задачах, где необходимы сильные переменные поля, но в то же время желательно обеспечить безопасность для человека.
Биологические ткани прозрачны для магнитных полей. В этой связи интересно научиться усиливать магнитную составляющую электромагнитных колебаний без роста электрической составляющей. Подобный трюк открыл бы дорогу новым системам, использующим магнитные поля (скажем, для левитирующих поездов), которые были бы и экономичнее, и безопаснее, чем существующие аналоги.
Ярослав Уржумов, профессор университета Дюка, предложил способ достижения искомого результата: «Магнитно-активный метаматериал теоретически может уменьшить величину тока, необходимого для создания достаточно сильного магнитного поля. Это позволит снизить паразитические электрические поля в окружающей среде и создать мощные и безопасные электромагнитные системы».
Ещё 10 лет назад Ярослав учился в московском физтехе, а теперь его умения оказались востребованы в США. Есть чем гордиться, и есть чему огорчиться (фото Duke University, Pratt School of Engineering).
Ярослав и его коллеги провели численное моделирование и установили, что макроскопические объекты, построенные из метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, при ряде условий способны увеличивать магнитные силы в низкочастотных полях.
Это явление физики назвали магнитостатический поверхностный резонанс (MSR). Учёные говорят, что по своему принципу он похож на плазмонный поверхностный резонанс в оптике, наблюдающийся в материалах с отрицательной диэлектрической проницаемостью.
Авторы смоделировали метаматериал с очень высокой анизотропией: в нём магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других. Расчёт показал, что такой объект способен за счёт резонанса резко усиливать магнитное поле.
«Явление MSR может позволить магнитным системам левитации увеличить массу поднимаемых объектов на порядок при использовании такого же количества электроэнергии», — заявил Уржумов. Подобное необычное управление электромагнитными силами вполне может пригодиться и в других устройствах – от крохотных оптических пинцетов, удерживающих атомы, до экзотического электромагнитного оружия.
- В этой связи также интересно вспомнить, что в системах беспроводной передачи энергии по технологии WiTricity используется сильное пульсирующее магнитное поле, которое, как заявляют авторы, безвредно для людей и животных.
- По информации университета Дюка, группа экспериментаторов из Бостонского колледжа (Boston College) сейчас строит некий прототип такого метаматериала – магнитного усилителя, в соответствии с выкладками Ярослава и его коллег.
- (Подробности новой работы раскрывает статья в Physical Review B.)
- необычные материалы
- физика
- метаматериалы
- магнетизм
Анизотропный материал — усилитель магнитного поля. Обсуждение на LiveInternet — Российский Сервис Онлайн-Дневников
Разработка может пригодиться для систем магнитной левитации, беспроводной передачи энергии или в других задачах, где необходимы сильные переменные поля, но в то же время желательно обеспечить безопасность для человека.
Биологические ткани прозрачны для магнитных полей. В этой связи интересно научиться усиливать магнитную составляющую электромагнитных колебаний без роста электрической составляющей. Подобный трюк открыл бы дорогу новым системам, использующим магнитные поля (скажем, для левитирующих поездов), которые были бы и экономичнее, и безопаснее, чем существующие аналоги.
Ярослав Уржумов, профессор университета Дюка, предложил способ достижения искомого результата: «Магнитно-активный метаматериал теоретически может уменьшить величину тока, необходимого для создания достаточно сильного магнитного поля. Это позволит снизить паразитические электрические поля в окружающей среде и создать мощные и безопасные электромагнитные системы».
Ещё 10 лет назад Ярослав учился в московском физтехе, а теперь его умения оказались востребованы в США. Есть чем гордиться, и есть чему огорчиться.
Ярослав и его коллеги провели численное моделирование и установили, что макроскопические объекты, построенные из метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, при ряде условий способны увеличивать магнитные силы в низкочастотных полях.
Это явление физики назвали магнитостатический поверхностный резонанс (MSR). Учёные говорят, что по своему принципу он похож на плазмонный поверхностный резонанс в оптике, наблюдающийся в материалах с отрицательной диэлектрической проницаемостью.
Авторы смоделировали метаматериал с очень высокой анизотропией: в нём магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других. Расчёт показал, что такой объект способен за счёт резонанса резко усиливать магнитное поле.
«Явление MSR может позволить магнитным системам левитации увеличить массу поднимаемых объектов на порядок при использовании такого же количества электроэнергии», — заявил Уржумов. Подобное необычное управление электромагнитными силами вполне может пригодиться и в других устройствах – от крохотных оптических пинцетов, удерживающих атомы, до экзотического электромагнитного оружия.
В этой связи также интересно вспомнить, что в системах беспроводной передачи энергии по технологии WiTricity используется сильное пульсирующее магнитное поле, которое, как заявляют авторы, безвредно для людей и животных.
По информации университета Дюка, группа экспериментаторов из Бостонского колледжа (Boston College) сейчас строит некий прототип такого метаматериала – магнитного усилителя, в соответствии с выкладками Ярослава и его коллег.
метаматериала — Metamaterial
Отрицательный индекс Метаматериал конфигурации массива, который был изготовлен из меди с расщепленным кольцевых резонаторов и проводов , установленных на взаимосвязанных листов печатной платы из стекловолокна. Общий массив состоит из 3 по 20 × 20 элементарных ячеек с габаритными размерами 10 мм × 100 мм × 100 мм (0,39 в × 3,94 × 3,94 в в).
Метаматериал (от греческого слова μετά мета , что означает «за») представляет собой материал разработан , чтобы иметь свойство , которое не встречается в природе материалов. Они изготовлены из узлов нескольких элементов вылепленных из композитных материалов , таких как металлы или пластмасса. Материалы, как правило , расположены в повторяющиеся узоры, в масштабах, которые меньше , чем длины волн явлений они влияют. Metamaterials получают свои свойства не от свойств исходных материалов, но и от их вновь проектируемых сооружений. Их точная форма , геометрия , размер , ориентация и расположение дают им их интеллектуальные свойства способны манипулировать электромагнитные волны : путем блокирования, поглощая, увеличивая или изгибные волны, для достижения преимуществ , которые выходят за рамками того, что возможно с обычными материалами.
Надлежащим образом разработанные метаматериалы могут влиять на волны электромагнитного излучения или звук таким образом , не наблюдается в сыпучих материалах. Те , которые демонстрируют отрицательный показатель преломления для определенной длины волны привлекают значительные исследования. Эти материалы известны как с отрицательным показателем преломления метаматериалов .
Потенциальные применения метаматериалов разнообразны и включают в себя оптические фильтры , медицинские устройства , удаленные аэрокосмические приложения, обнаружение датчика и мониторинг инфраструктуры , смарт солнечной энергии управления, контроль толпы , обтекатели , высокочастотное поле боя связи и линзы для антенны с большим усилением, улучшая ультразвуковые датчики и даже защитные сооружения от землетрясений . Метаматериалов обладают потенциалом для создания superlenses . Такая линза может позволить визуализацию ниже дифракционного предела , который является минимальным разрешением , которое может быть достигнуто с помощью обычных стеклянных линз. Форма «невидимость» была продемонстрирована с использованием ГРАДИЕНТНЫХ материалов . Акустические и сейсмические метаматериалы также направление исследований.
Метаматериала исследование является междисциплинарным и включает в себя такие области , как электротехника , электромагнетизм , классической оптике , физике твердого тела , микроволновой печью и антенной техники , оптоэлектроники , материальных наук , нанонауки и полупроводниковой технике.
содержание
- 1 История
- 2 Электромагнитные метаматериалы
-
3 Другие типы
- 3,1 Elastic
- 3,2 Acoustic
- 3.3 Структурно
- 3.4 Нелинейная
-
4 Полосы частот
- 4,1 ТГц
- 4,2 фотонные
- 4,3 перестраиваемый
- 4,4 Плазмонное
- 5 Приложения
- 6 Теоретические модели
-
7 Институциональные сети
- 7,1 MURI
- 7,2 Metamorphose
- 8 Смотрите также
- 9 Ссылки
история
Исследования искусственных материалов для манипулирования электромагнитных волн начались в конце 19 — го века.
Некоторые из самых ранних конструкций , которые могут быть рассмотрены метаматериалы были изучены Ягадишу Чандра Бозе , который в 1898 году исследовал вещества с хиральными свойствами.
Карл Фердинанд Линдман изучал взаимодействие волн с металлическими спиралями как искусственные хиральными СМИ в начале двадцатого века.
Уинстон Е. Кок разработали материалы , которые имели аналогичные характеристики метаматериалов в конце 1940 — х годов. В 1950 — х и 1960 — х годах, искусственные диэлектрики были изучены для легких микроволновых антенн . Микроволновые радарные поглотители были исследованы в 1980 — х и 1990 — х годах как заявки на искусственные среды хиральных.
С отрицательным показателем преломления материалы были впервые описаны теоретически Веселаго в 1967 г. Он доказал , что такие материалы могут передавать свет . Он показал , что фазовая скорость может быть анти-параллельно направлению вектора Пойнтинга . Это противоречит распространению волн в природных материалах.
Пендри был первым , чтобы определить практический способ сделать левосторонний метаматериал, материал , в котором правило правой руки не следует.
Такой материал обеспечивает электромагнитную волну , чтобы передать энергию (имеет групповую скорость ) по отношению к ее фазовой скорости .
Идея Pendry было то, что металлические провода выровнены вдоль направления волны могут обеспечить отрицательную диэлектрическую проницаемость ( диэлектрическая проницаемость ε
Метаматериал
Метаматериа́л — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой[1][2].
Они представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными или акустическими свойствами, сложнодостижимыми технологически, либо не встречающимися в природе[3][4].
Под такими свойствами следует понимать особые значения физических параметров среды, например, отрицательные по величине значения как диэлектрической ε, так и магнитной μ проницаемостей, пространственную структуризацию (локализацию) распределения величин этих параметров (в частности, периодическое изменение коэффициента преломления как у фотонных кристаллов), наличие возможности управления параметрами среды в результате внешних воздействий (метаматериалы с электрически управляемой диэлектрической и магнитной проницаемостями) и т. д.[5]
Приставка «мета-» переводится с греческого как «вне», что позволяет трактовать термин «метаматериалы» как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов[3][4].
Метаматериалы синтезируются внедрением в исходный природный материал различных периодических структур с самыми разными геометрическими формами, которые модифицируют диэлектрическую
χ
e
{displaystyle chi _{e}}
и магнитную χ восприимчивости исходного материала. В очень грубом приближении такие внедрения можно рассматривать как искусственно внесённые в исходный материал атомы чрезвычайно больших размеров. Разработчик метаматериалов при их синтезировании имеет возможность выбора (варьирования) различных свободных параметров (размеры структур, форма, постоянный и переменный период между ними и т. д.).
Свойства
Прохождение света через метаматериал с «левосторонним» коэффициентом преломления.
Одно из возможных свойств метаматериалов — отрицательный (или левосторонний) коэффициент (показатель) преломления, который проявляется при одновременной отрицательности диэлектрической и магнитной проницаемостей[3][4][6].
Основы эффекта
Уравнение распространения электромагнитных волн в изотропной среде имеет вид:
k
2
−
(
ω
/
c
)
2
n
2
=
0
,
{displaystyle k^{2}-(omega /c)^{2}n^{2}=0,}
(1)
где
k
{displaystyle k}
— волновой вектор,
ω
{displaystyle omega }
— частота волны,
c
{displaystyle c}
— скорость света,
n
2
=
ϵ
μ
{displaystyle n^{2}=epsilon mu }
— квадрат показателя преломления.
Из этих уравнений очевидно, что одновременная смена знаков у диэлектрической
ϵ
{displaystyle epsilon }
и магнитной
μ
{displaystyle mu }
проницаемостей среды никак не отразится на этих соотношениях.
«Правые» и «левые» изотропные среды
Уравнение (1) получено на основе теории Максвелла.
Для сред, у которых диэлектрическая
ϵ
{displaystyle epsilon }
и магнитная
μ
{displaystyle mu }
восприимчивости среды одновременно положительные, три вектора электромагнитного поля — электрический
E
→
{displaystyle {vec {E}}}
, магнитный
H
→
{displaystyle {vec {H}}}
и волновой
k
→
{displaystyle {vec {k}}}
— образуют систему т.н. правых векторов:
[
k
→
E
→
]
=
(
ω
/
c
)
μ
H
→
,
{displaystyle left[{vec {k}}{vec {E}}
ight]=(omega /c)mu {vec {H}},}
[
k
→
H
→
]
=
−
(
ω
/
c
)
ϵ
E
→
.
{displaystyle left[{vec {k}}{vec {H}}
ight]=-(omega /c)epsilon {vec {E}}.}
Такие среды, соответственно, называют «правыми».
Среды, у которых
ϵ
{displaystyle epsilon }
,
μ
{displaystyle mu }
— одновременно отрицательные, называют «левыми».
У таких сред электрический
E
→
{displaystyle {vec {E}}}
, магнитный
H
→
{displaystyle {vec {H}}}
и волновой вектора
k
→
{displaystyle {vec {k}}}
образуют систему левых векторов.
В англоязычной литературе описанные материалы могут называть
right- и left-handed materials, или сокращённо RHM (правые) и LHM (левые), соответственно.
| Прохождение света через границу сред, у которых оба показателя преломления положительны
n {displaystyle n1>0} n {displaystyle n2>0} |
Прохождение света через границу сред, у одной из которых показатель преломления положителен
n {displaystyle n1>0} , а у другой — отрицателен n |