メタマテリアル

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メタマテリアルとは　電磁気学および光学的性質において、自然界の物質に無い特性を持った、特に人工の物質のことである。「メタマテリアル」という語句自体は「人間の手で創生された物質」を示すが、特に負の屈折率をもった物質を指して用いられる。

光学や短波長の電磁波において特長的な性質を示し、分解能の限界や回折限界の突破が可能とされ、光ファイバー・バンドパスフィルタ・新種のレンズ・アンテナなどに応用が期待されている。

[編集] 負の屈折率について

通常の物質では物体（水色）に入射した光（青色矢印）は反対側（えんじ色矢印方向）へと屈折するが(conventional material)、負の屈折率を持つ物質では入射と同じ側（緑色矢印方向）に起こる(left-handed metamaterial)

この現象を端的に説明すると、水面に鉛筆を斜めに差し入れ、横から見ると／や＼下向きに折れ曲がって見えるところが、＜または＞の字状に折れ曲がって見えるようなものである。

1968年、ロシア人の物理学者のビクター=ベセラゴによって理論が確立されたとされる。

水や既存のガラスでは、誘電率および透磁率は正である。しかし、金や銀などの金属の中には可視光領域で負の誘電率をもつものがある。

屈折率(N)は誘電率(ε)と透磁率(μ)から

として計算される。誘電率と透磁率のどちらか一方が負の場合，屈折率は虚数となり，電磁波が物質に侵入することは許されない．誘電率と透磁率の両方が正もしくは負の場合，屈折率は実数となる．このとき，物質は電磁波に対して透明となり，電磁波は物質内に侵入することができる．前者の場合N>0となり，これは自然界に存在する結晶である．しかし後者の場合N<0，つまり負の屈折率をもち、透明である物質は自然界には存在しないとされてきた。

しかし、近年、ナノテクノロジーの進歩と新素材の開発により、誘電率と透磁率の両方が負である物質が発見されこの予測は覆された。

この現象については、次のような興味深い現象が起こるとされる

• スネルの法則は適用可能であるが、屈折は入射光と「同じ」側に起きる。
• ドップラー効果は逆方向に発生する
• チェレンコフ放射は通常と異なる場所で起きる
• 群速度と位相速度が一致しない
• 高周波は長波長となり、短波長に変化しない。
• ポインティングベクトルの向きが通常の物質と異なる。

現在までに、対象とする電磁波の波長より小さい繰り返し構造をもつように加工した特定の金属や金属化合物が試作され、マイクロ波や赤外線領域で性質を示すものが見つかっている。

具体的な構造例としては、理化学研究所による金属の微細周期構造（ナノ金属共振器アレイ）による表面プラズモンを利用したもの^[1]、豊田中央研究所と山口大学によるテフロン基盤上に銅と液晶のアレイを配置したミリ波向けのもの、Purdue大学による二酸化ケイ素・金・チタン薄膜をラミネートしてアレイとした赤外線向けのものなどがある。^[2]

なお、電磁波の挙動はフレミングの左手の法則に従う。そのため、負の屈折率をもつ物質を左手系物質や左手系メタマテリアルと呼称することがある。 ここで，左手の法則と言っているのは，均質媒質中における電場(E),磁場(H),波数(k)の向きを示す座標系のことである．つまり，従来の右手系において，kはE×Hの方向と等しい．これに対して左手系においては，kの方向はE×Hの方向と逆向きとなる．

[編集] 発展と応用範囲

マイクロ波制御技術や波長限界を超えた分解能をもつ「スーパーレンズ」の開発と、それに伴う半導体製造技術の微細化・光ファイバー・光通信・光ディスク・遮蔽装置・光学迷彩などに応用が期待されている。

また、2007年にはアメリカ防衛高等研究計画局(DARPA)がメタマテリアルの発展形である「アシンメトリックマテリアル(asymmetric material)」によって、姿の隠蔽・実体弾からの保護と内部からの攻撃を両立させる技術を開発していることが報道された。^[3]

[編集] 関連項目

• 物理学
• 電磁気学
• 光学
• 屈折
• 回折
• ガラス
• レンズ
• プラズモン
• ナノテクノロジー
• ビクター=ベセラゴ(Wikipedia英語版)[2]

[編集] 脚注

[編集] 外部リンク

• Experimental Verification of a Negative Index of Refraction
• For a special issue featuring current research on the field of Metamaterials see the February 2005 issue of Journal of Optics A[3]
• How To Make an Object Invisible[4]
• Metamaterials
• IESL - Photonic, Phononic & Meta- Materials Group
• Duke University - David Smith's Research Group
• George Eleftheriades's Research Group
• References
• Metamorphose EU NoE

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