meta-material-future-inventions

Doğada var olan doğal bir malzemeye herhangi bir ışık(elektromanyetik dalga) çarptığında üç durum söz konusudur. Yansıma, soğrulma ve geçme. Aslında bu üç durum bir malzeme için aynı anda gerçekleşebilir. Yani  ışık bulunduğu ortamın elektromanyetik özelliğinden farklı özellikteki bir malzemeye çarptığında diğer durumlar gerçekleşse bile ne olursa olsun yansıma söz konusu olacaktır. Yansıma açısı ve miktarı ışığın geçiş yaptığı malzemenin elektromanyetiksel özelliğine, gelen elektromanyetik dalganın polarizasyonuna ve açısına göre değişiklik gösterir.  Bu durumda malzemelerin kırılma indislerinden bahsedebiliriz.

isigin-kirilmasiAdsız

Doğada bulunan normal bir malzeme için kırılma açısı olan beta, “90” dereceye eşit olduğunda ışık malzemenin sınır çizgisi boyunca hareket edecek ve 90 dereceden büyük olduğunda toplam yansıma gerçekleşecektir.  Ve bu durumda malzemeye çarpan ışığın tamamı yansır.   Kırılma açısı “0” dereceden küçük olduğunda ne olur peki?  Ya da böyle bir şey mümkün olabilir mi?

Normal şartlar altında doğada bulunan hiç bir malzemeye çarpan elektromanyetik dalgalar “0” derecenin altında kırılmaz. Matematiksel olarak; beta açısının sıfır dereceden küçük olması negatif indis anlamına gelir.

Meta malzemeler negatif kırılma indisine sahip malzemelerdir.  Doğada bulunmayan ve bir kaç malzemenin  mikroskobik alaşımlarıyla oluşturulan yapay bir malzemedir.  Negatif kırılma indisi, matematiksel olarak  negatif dielektrik katsayısı(ε ) ve negatif manyetik geçirgenlik (µ ) ile elde edilebilir.

Dielektrik sabiti (ε ) ve manyetik geçirgenlik katsayısı (µ ), uygulanan elektrik ve manyetik alanlara karşı homojen bir ortamın tepkisini karakterize eden makroskobik parametrelerdir.Yeterince uzun zaman ve yeterince büyük hacimler için ölçülmüş olup malzemenin dış alanlar tarafından etkilenen atomik veya moleküler titreşimlerin  frekansa bağlı olarak makroskopik ölçümlerinin ortalamalarını ifade ederler. Meta malzeme içerisinde homojen olmayan daha büyük hacimler içinde homojenliği bozan yapılar, uygulanacak elektromanyetik alanların dalga boyundan çok küçük fakat atom ve moleküllerden büyük olduğundan negatif dielektrik sabiti (ε ) ve negatif manyetik geçirgenlik katsayısı (µ ) söz konusudur.

Doğal olarak meta malzemeler,  özelliğini kendi alaşımındaki malzemelerin özelliğinden değil de atomik diziliminden ve homojen olmayışından almaktadırlar. Malzeme, ışık ve madde etkileşimini alışılagelmişin dışında gerçekleştirir.   Malzemeye çarpan elektromanyetik dalga, malzeme içerisinde geliş açısı ile aynı tarafta kırılır fakat buna rağmen iletilen güç(Pointig vektör)  dalga yönünün ters tarafınadır..  Şu video daha açıklayıcı olabilir;

Ortam içerisinde dalga vektörü ters dönmesine rağmen enerji akış yönü aynı kalmaktadır, yani faz vektörü ile enerji akışı ters yöndedir.  Bu olay bir çok bilim kurgu olayına sebebiyet verir.  Mesela görünmezlik pelerini;

  Şöyle anlatmaya çalışayım;   eğer üzerimize giydiğimiz saydam bir elbiseye çarpan ışığın bu malzeme içerisinde ters bir şekilde kırılmasını sağlayarak vucudumuza çarpmadan elbise üzerinden dolaşıp tekrar dışarı çıkmasını sağlayabilirsek tam olarak görünmezlik pelerinini elde etmiş oluruz ki meta malzemenin ters kırılma indisli olması da tam olarak bize bunu sağlıyor. Bir cismi görebiliyorsak; ona çarpan ışığın olması gerekir. Eğer cisim üzerine çarpan herhangi bir görülebilir elektromanyetik dalga olmaz ise cismi görmemiz mümkün olmayacaktır. 

Negatif kırılma indisli malzemelerin mükemmel sonuçlarından bir tanesi de, alışılmış kırılma limitlerinin aksine limitsiz bir görüntü çözünürlüğü olan mükemmel lenslerdir.  ε = −1 ve μ = −1 olan bir negatif kırılma indisine sahip materyal sadece gelen dalgaları değil, aynı zamanda kaynaktan çıkar çıkmaz sönümlenmeye yüz tutan sönümlü dalga bileşenlerini de odaklayabilir.   Böylece bu yapı ile sadece ilerleyen dalgalar için tam-kayıpsız iletim değil, aynı zamanda sönümlenen dalgalar için yükseltilerek çıkmayı sağlayan mükemmel bir lens yapısının teorik olarak ortaya konulabileceğini göstermektedir.

Tahminimce 1 pikosaniye  zaman çözünürlüğüne sahip femto kameralarda kullanılan lenslerde meta malzemelerden yararlanılmış olabilir.

Ayrıca  Meta malzemeler IMO sistemlerindeki elektromanyetik etkileşimin azaltılması, mikrostrip antenlerin kazancının artırılması, yakın alan sensörlerinin hassasiyetinin artırılması ve yüzeysel mikrodalga filterlerin dizaynında kullanılmışlardır. Şu anda metamalzemelerin en önemli uygulama alanlarından biri sensör dizaynıdır. Metamalzemelerin, aluminyum gövdelerdeki çatlakların tespiti, biyosensörlerin geliştirilmesi, ince filmlerin kalınlıklarının ölçülmesi gibi uygulamaları bulunmaktadır.

  • Murat Artan

    metamalzemelere yeni bir özellik daha kazandırılmış,o da altlarına gizlenen nesnelerin dokunulunca hissedilmemesini sağlamasıymış.
    bu da şöyle oluyormuş ki altında saklanacak olan nesnenin özelliğine göre geliştirilen metamalzeme,uygulanan fiziksel kuvveti farklı yönlere dağıttığı için malzemenin altında gizlenen nesnelere parmakla dokunulduğunda veya cihazla tarandığında tespit edilemiyormuş.
    son derece ilginç.

  • Bilgiler için teşekkürler Murat bey 🙂