Μετάβαση στο κύριο περιεχόμενο

Μεταϋλικά που διαθλούν το φως λίγο διαφορετικά.

Μια ομάδα επιστημόνων, από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας (MIPT) και το Ινστιτούτο Landau Θεωρητικής Φυσικής στη Ρωσική Ακαδημία Επιστημών, έχει προτείνει ένα δισδιάστατο μεταϋλικό, το οποίο αποτελείται από στοιχεία που διαθλούν το φως με έναν ασυνήθιστο τρόπο.
Ένα μεταϋλικό είναι ένα υλικό, οι ιδιότητες του οποίου έχουν δημιουργηθεί από μία τεχνητή περιοδική δομή. Το πρόθεμα "μετά" (από την ελληνική λέξη μετά - πέρα) δείχνει ότι τα χαρακτηριστικά του υλικού είναι πέρα ​​από αυτό που βλέπουμε στη φύση. Τις περισσότερες φορές, όταν μιλάμε για μεταϋλικά, εννοούμε υλικά με αρνητικό δείκτη διάθλασης. Όταν το φως προσπίπτει στην επιφάνεια ενός τέτοιου υλικού η διαθλώμενη ακτίνα φωτός βρίσκεται στην ίδια πλευρά, ως προς την κάθετη στην επιφάνεια, με την προσπίπτουσα. Η διαφορά μεταξύ της συμπεριφοράς του φωτός σε ένα μέσο με θετικό και ενός με αρνητικό δείκτη διάθλασης μπορεί να φανεί, για παράδειγμα, όταν μία ράβδος βυθίζεται σε υγρό. 

Αριστερά: Μέσο με θετικό δείκτη διάθλασης
Δεξιά: Μέσο με αρνητικό δείκτη διάθλασης

Η ύπαρξη ουσιών με αρνητικό δείκτη διάθλασης είχε προβλεφθεί ήδη από τα μέσα του 20ου αιώνα. Το 1976, ο Σοβιετικός φυσικός V.G. Veselago δημοσίευσε ένα άρθρο στο οποίο περιγράφει θεωρητικά τις ιδιότητές αυτών των υλικών, στις οποίες συμπεριλαμβάνεται και η ασυνήθης διάθλαση του φωτός. Ο όρος μεταϋλικά προτάθηκε από τον Roger Walser το 1999. Τα πρώτα δείγματα από μεταϋλικά κατασκευάστηκαν από συστοιχίες λεπτών καλωδίων και λειτουργούσαν μόνο με την ακτινοβολία μικροκυμάτων.

Τα ασυνήθιστα οπτικά χαρακτηριστικά δεν συνεπάγονται κατ' ανάγκη τη χρήση τρισδιάστατων μεταϋλικών. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα χρήσης δισδιάστατων δομών, των λεγόμενων μετα-επιφανειών (στην πραγματικότητα πρόκειται για ένα λεπτό φιλμ που αποτελείται από μεμονωμένα στοιχεία). Η αρχή λειτουργίας των επιφανειών αυτών, βασίζεται στο φαινόμενο της περίθλασης. Κάθε επίπεδη επιφάνεια μπορεί να θεωρηθεί ως ένα πλέγμα περίθλασης, η οποία διαχωρίζει το προσπίπτον φως σε περισσότερες ακτίνες. Ο αριθμός και η κατεύθυνση των ακτίνων εξαρτάται από τις γεωμετρικές παραμέτρους όπως η γωνία πρόσπτωσης και το μήκος κύματος.


Μεταϋλικό δύο διαστάσεων

Αυτή η ιδέα αποτελεί την πρόσφατη δουλειά της ομάδας των επιστημόνων από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας και το Ινστιτούτο Landau. Το βασικό δομικό στοιχείο από το οποίο θα σχηματιστεί η επιφάνεια-πλέγμα αποτελείται από ένα ζεύγος κυλίνδρων αργύρου στενά συνδεδεμένων μεταξύ τους. Οι κύλινδροι αυτοί έχουν ακτίνες της τάξης των 100nm. Μια τέτοια δομή είναι σχετικά απλή και λειτουργεί στα μήκη κύματος που αντιστοιχούν στο ορατό φως, ενώ τα περισσότερα ανάλογα έχουν πιο πολύπλοκες γεωμετρίες και λειτουργούν μόνο με μικροκύματα.

Η αποτελεσματική αλληλεπίδραση των μεταλλικών κυλίνδρων με το φως οφείλεται στα ηλεκτρόνια. Το φως απορροφάται από τις μεταλλικές ράβδους, αναγκάζοντας τα ηλεκτρόνια στο μέταλλο να ταλαντώνονται και να ακτινοβολούν εκ νέου. Οι ερευνητές είναι σε θέση να ρυθμίσουν τις παραμέτρους του πλέγματος, έτσι ώστε η προσπίπτουσα ακτινοβολία να διαθλάται με τον επιθυμητό τρόπο. Το σύστημα αυτό λειτουργεί με ένα ευρύ φάσμα γωνιών πρόσπτωσης. Οι προσπάθειες της επιστημονικής κοινότητας επικεντρώνονται σε μεγάλο βαθμό στη δημιουργία υποδομών, ικανών να επιτύχουν αποτελεσματικά τον επαναπροσανατολισμό του φωτός προς την επιθυμητή κατεύθυνση.

Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας θα βοηθήσουν στην ανάπτυξη νέας οπτικής τεχνολογίας που αφορά στην επεξεργασία και τη μετάδοση πληροφοριών. Οι συμβατικές ηλεκτρικές διασυνδέσεις που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα κυκλώματα των ηλεκτρονικών υπολογιστών λειτουργούν στο όριο των δυνατοτήτων τους και αναστέλλουν την περαιτέρω ανάπτυξη των επιδόσεων των υπολογιστών. Η αντικατάσταση των ηλεκτρικών διασυνδέσεων από οπτικές διασυνδέσεις θα είναι δυνατή εφόσον μελετηθούν τα οπτικά σήματα σε νανοκλίμακα.

Μετά:
Τι είναι το Φως (;)
Πως δημιουργείται ο αντικατοπτρισμός;
Αφιέρωμα στο φως. 

Τέλος, δες εδώ επιπλέον πληροφορίες για τα μεταϋλικά.


Σχόλια

Δημοφιλείς αναρτήσεις από αυτό το ιστολόγιο

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) Εξισώσεις κίνησης

Περιοδικά ονομάζονται τα φαινόμενα που επαναλαμβάνονται με τον ίδιο τρόπο σε ίσα χρονικά διαστήματα. Π.χ. ομαλή κυκλική κίνηση, κίνηση εκκρεμούς, περιστροφή γης γύρω από τον ήλιο κ.ά.
(Σκέψου μερικά ακόμη…)
Στοιχεία περιοδικής κίνησης Κάθε περιοδική κίνηση χαρακτηρίζεται από τα παρακάτω τρία στοιχειά:
Περίοδος (Τ) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται ο χρόνος που απαιτείται για μια πλήρη επανάληψη του φαινομένου ή ο χρόνος που μεσολαβεί μεταξύ δύο διαδοχικών επαναλήψεων του φαινομένου.
Η περίοδος είναι μονόμετρο μέγεθος και η μονάδα μέτρησής της είναι το 1 sec.

Συχνότητα (f) ενός περιοδικού φαινομένου ονομάζεται το φυσικό μέγεθος του οποίου το μέτρο θα δίνεται από το σταθερό πηλίκο του αριθμού Ν των επαναλήψεων του φαινομένου σε κάποιο χρόνο t, προς το χρόνο αυτό.Δηλαδή: Η συχνότητα είναι μονόμετρο μέγεθος και έχει μονάδα μέτρησης το 1 sec-1 ή 1 κύκλος/sec ή 1 Hz (Hertz).



Σχέση μεταξύ περιόδου – συχνότητας Επειδή σε χρόνο t ίσο με μια περίοδο Τ έχουμε μια επανάληψη (Ν=1) του φαινομένου έχουμ…

Ενέργεια Ταλάντωσης

Η ενέργεια της ταλάντωσης Ε (ή ολική ενέργεια) ενός συστήματος που εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση ισούται με την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα για να το θέσουμε σε κίνηση (ταλάντωση). 




Η ενέργεια αυτή θα δίνεται από τη σχέση:  Από την σχέση αυτή προκύπτει ότι το πλάτος Α καθορίζεται από την ενέργεια της ταλάντωσης, δηλαδή από την ενέργεια που προσφέραμε αρχικά στο σύστημα ώστε να αρχίσει να ταλαντώνεται. Σε όλη την διάρκεια της ταλάντωσης η ενέργεια παραμένει σταθερή. Η ενέργεια μιας απλής αρμονικής ταλάντωσης είναι σταθερή και ανάλογη µε το τετράγωνο του πλάτους της.

Απόδειξη της παραπάνω σχέσης. Αν το σώμα βρίσκεται ακίνητο στην θέση ισορροπίας, για να μετακινηθεί σε µια άλλη θέση πρέπει να του ασκηθεί κατάλληλη εξωτερική δύναμη Fεξ . Κατά την μετακίνηση αυτή θα ασκείται στο σώμα και η δύναμη επαναφοράς. 

Για να μετακινηθεί το σώμα στην θέση (x) θα πρέπει το μέτρο της εξωτερικής δύναμης να είναι ίσο µε το μέτρο της δύναμης επαναφοράς και να έχει αντίθετη φορά, σε κάθε χρονι…

Ταλάντωση και Ελατήριο

Ελατήριο ονομάζεται ένα μηχανικό εξάρτημα το οποίο έχει την ικανότητα να αποθηκεύει μηχανική ενέργεια παραμορφώμενο προσωρινά. Συνήθως το σχήμα είναι ελικοειδές, αλλά υπάρχουν και ελατήρια σε σχήμα ράβδου, οι σούστες.
Το κάθε ελατήριο μπορεί να παραμορφωθεί ως προς μία διάστασή του υπό την επίδραση δύναμης. Όταν ασκείται δύναμη σε αυτήν τη διάσταση, το ελατήριο παραμορφώνεται αποθηκεύοντας το έργο της δύναμης.
Ιδανικό ελατήριο Σε ιδανικά θεωρητικά ελατήρια ισχύει απόλυτα ο νόμος του Hook, δε χάνεται ενέργεια στο περιβάλλον και τα ελατήρια μπορούν πάντα να επιστρέψουν στο αρχικό τους μήκος. Επίσης η μάζα του ιδανικού ελατηρίου θεωρείται αμελητέα. [Στην πραγματικότητα χάνεται μικρό ποσό ενέργειας στο περιβάλλον ως θερμική ενέργεια, ενώ η παραμόρφωση μπορεί να γίνει μόνιμη. Κάθε ελατήριο έχει κάποια όρια αντοχής αν τα υπερβούν θα παραμορφωθεί ή θα σπάσει. Επιπλέον, με την επαναλαμβανόμενη χρήση το υλικό χάνει τις ιδιότητές του λόγω μηχανικής κόπωσης και αν δεν αντικατασταθεί θα σπάσει.]

Νόμο…

Απλή Αρμονική Ταλάντωση (Α.Α.Τ) - Συνισταμένη Δύναμη

Από την Α΄ Λυκείου γνωρίζεις τον θεμελιώδη νόμο της Μηχανικής (2ος νόμος του Newton), ΣF=mα. Επίσης, όπως γνωρίζεις για να υπάρχει επιτάχυνση πρέπει να υπάρχει και δύναμη που ασκείται σε κάποιο σώμα. Στην Α.Α.Τ. ισχύει α=-ω2x, ο συνδυασμός αυτών των δυο σχέσεων δίνει τη σχέση: 
ΣF=-m ω2x Από τη σχέση αυτή φαίνεται ότι όταν ένα σώμα εκτελεί απλή αρμονική ταλάντωση η συνολική δύναμη που δέχεται είναι ανάλογη με την απομάκρυνση του σώματος από την Θ.Ι. της τροχιάς του και έχει αντίθετη φορά από αυτήν. Όταν το σώμα περνά από την Θ.Ι. η συνολική δύναμη που δέχεται ισούται με μηδέν. (Για το λόγο αυτό, ονομάζεται θέση ισορροπίας της ταλάντωσης). Επίσης, στις ακραίες θέσεις της ταλάντωσης η ΣF είναι μεγίστη.


Στο βίντεο δες το διάνυσμα της δύναμης επαναφοράς (είναι πάντα προς την θέση ισορροπίας). 



Αν συμβολίσουμε το γινόμενο mω2 με D (που είναι σταθερό για κάθε ταλαντωτή), δηλαδή D = mω2
Τότε θα έχουμε τη σχέση που δίνει τη δύναμη:F = −Dx (Μάθε την απόδειξη)

Η παραπάνω σχέση είναι γνωστή και σαν συν…

Ταλάντωση και πλαστική κρούση

Θυμήσου την ορμή: 
Για ένα σώμα μάζας m που κινείται µε ταχύτητα u η ορμή του p δίνεται από τη σχέση: p=mu

Η ορμή p είναι ένα διανυσματικό μέγεθος το ο­ποίο έχει: μέτρο p = mu,διεύθυνση και φορά ίδια µε τη διεύθυνση και τη φορά της ταχύτητας u,μονάδα μέτρησης στο S.I. το 1 kg ∙ m/s (ισοδύναμη μονάδα είναι το 1 Ν∙s).Η ορμή, ως διανυσματικό μέγεθος, έχει όλες τις ιδιότητες των διανυσμάτων. Έτσι: μπορεί ν' αναλυθεί σε άξονες, δηλαδή σε συ­νιστώσες px και py,μεταβάλλεται αν μεταβληθεί τουλάχιστον ένα από τα στοιχεία της, δηλαδή το μέτρο της, η διεύθυνσή της ή η φορά της.Ο ρυθμός μεταβολής της ορμής (dp/dt) ισούται με την δύναμη ή τη συνισταμένη των δυνάμεων (ΣF) που ασκούνται στο σώμα.

Προσοχή:

Όταν στις ασκήσεις πρέπει να υπολογίσεις την μεταβολή της ορμής τότε θα υπολογίζεις την σχέση:Δp = pτελ – pαρχΕνώ όταν  ζητείται ο ρυθμό μεταβολής της ορμής θα υπολογίζεις τη σχέση: dp/dt ή ΣF. Θυμήσου:
Σύστημα σωμάτων ονομάζουμε κάθε σύνολο σωμάτων, τα οποία απομονώνουμε νοητι…