1.2 Текущее состояние вопроса и актуальность

Одним из первопроходцев в изучении метаматериалов стал советский физик В.Г. Веселаго, который в 1968 году теоретически обосновал возможность существования материалов, имеющих одновременно отрицательные показатели диэлектрической и магнитной проницаемостей и, как следствие, отрицательный коэффициент преломления. Такие материалы он назвал "левосторонними", так как среды, в которых и одновременно отрицательные, вектора Е, Н и k образуют левую систему векторов. Дальнейшее развитие изучение метаматерилов получило благодаря работам Дж.В. Пендри [4],[5],[6] который предложил периодическую структуру из тонких проволочек, имеющую отрицательную диэлектрическую проницаемость на СВЧ-частотах. На основе этих работ Д.Р. Смит впервые получил метаматериал, состоящий из комбинации структур с отрицательной диэлектрической и отрицательной магнитной проницаемостями. Конструктивно он представлял собой совокупность диполей и разомкнутых кольцевых резонаторов. В результате был получен материал, обладающий отрицательным коэффициентом преломления в сантиметровом диапазоне. Благодаря успешному эксперименту Смита, теоретические заключения Веселаго были подтверждены. С этого момента началось бурное развитие теории метаматериалов. Этому также поспособствовало то, что выявились полезные особенности метаматериалов, среди которых можно выделить [7]:

A. Увеличение направленности.

С помощью свойств метаматериалов возможно контролировать направление электромагнитного излучения с целью сбора исходящей энергии в узкий угловой сектор вокруг нормали к поверхности материала. Т.е. DNG материалы способны увеличивать направленность антенн.

B. Увеличение ширины рабочей полосы.

По сравнению с классическими полосковыми антеннами, антенны на метаматериалах имеют большую достижимую ширину полосы.

C. Увеличение излучаемой мощности.

В компактных антеннах может быть увеличена излучаемая энергия путем применения DNG-метаматериалов. Комбинация компактного диполя и DNG-метаматериала дает большую излучаемую мощность, нежели традиционная антенна.

D. Ширина диаграммы направленности и боковые лепестки

Антенны на метаматериалах имеют более узкую диаграмму направленности и очень малые боковые лепестки, благодаря чему увеличивается направленность антенны и снижаются потери на отражении.

Благодаря интересу ученых к метаматериалам, подогретому вышеизложенными фактами, удалось добиться значительных успехов в их изучении. Так, первоначально был получен метаматериал, работающий на СВЧ, но уже скоро появились метаматериалы, взаимодействующие с волнами оптического диапазона [1]. Для этого понадобилось уменьшить размер метаматериалов, а также искать новые конструкторские решения для их реализации. Так, чтобы получить магнитный резонанс в оптическом диапазоне, размеры разомкнутого кольцевого резонатора должны быть менее 100 нанометров, а зазор между отдельными элементами - менее 10 нанометров. Такие проблемы послужили толчком для разработки альтернатив для комбинации диполя и разомкнутого кольцевого резонатора. Например, для оптического диапазона крайне удачной оказалась метаструктура типа "рыбацкая сеть", состоящая из двух слоев металлической сетки, разделенной диэлектриком. К настоящему моменту существует уже немало различных конструктивных типов метаматериалов. Среди них, например, можно выделить N-полюсники с центральным креплением (грибовидные), петлевые, комбинированные [8].

Среди причин высокого интереса к метаматериалам можно выделить и широкий спектр их использования. Так, одними из самых привлекательных сфер применения метаматериалов являются магнитно-резонансная томография, микроволновые контура, антенная техника и идеальные линзы, в которых использование метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления позволяет обойти дифракционный предел [1].

Одно из последних и наиболее перспективных направлений развития метаматериалов - перестраиваемые метаматериалы. Интерес к такому роду метаматериалов возник в результате столкновения с рядом проблем в разработке устройств, основанных на метаматериале, например: ограничение рабочей полосы резонансных устройств, конструктивные ограничения и допущения. Под перестраиваемым метаматериалом подразумевается структура, чье электромагнитное поведение намеренно изменяется в процессе рутинной работы прибора. Эти изменения могут быть вызваны влиянием перемен в свойствах вещества или геометрии структуры [9].

Еще одним молодым и крайне перспективным, особенно в оптическом диапазоне, направлением являются нелинейные метаматериалы, чьи свойства зависят от интенсивности электромагнитных волн. Теоретические исследования показывают, что в нелинейных метаматериалах может проявляться ряд любопытных особенностей [9].

С момента своего открытия метаматериалы привлекали внимание ученых. К настоящему моменту эта сфера исследований зарекомендовала себя как крайне перспективная и стоящая изучения. Только за последние десять лет были достигнуты значительные успехи, такие как отрицательное преломление волн, создание супелинз и даже плаща-невидимки. Возможность контролировать свойства вещества и его взаимодействие с электромагнитными волнами открывает широчайшие горизонты для практического применения метаматериалов.