メタマテリアルって何？どんな種類や用途があるのか？
1.メタマテリアルって何？
メタマテリアルの最初の研究は、負の屈折率メタマテリアルである。 誘電率と透磁率がともに負の物質という概念は、1968年にソ連の科学者Veselagoによって初めて紹介され、これらの物質によって負の屈折や逆ドップラー効果が得られると予想された。誘電率と透磁率がともに負の場合、電界E、磁界H、波動ベクトルkの関係が右巻きの螺旋法則に従わなくなり、左巻きの法則に従うことから、これらの材料は「左巻き材料」とも呼ばれるが、これらの特性は天然材料には存在しない。メタマテリアルの概念が導入されたのは1996年と1999年で、イギリスの科学者ペンドリーらが金属細線構造と開放共振リング（SRR）構造の周期的配置を設計し、それぞれ負の等価誘電率と負の透磁率が達成できることを実証したのが始まりです。
(A）スプリットリング共振器（SRR）の模式図、（B）スプリットリング共振器の正方形配列によって形成される負の屈折率が材料に負の透磁率を与えることを示すために使用したメタマテリアルの格子の模式図。
メタマテリアルとは、ロジャー・M・ウォルザー教授が提唱した造語で、天然には存在しない、人工的に作製された周期構造を持つ3次元の複合材料のことである。メタマテリアルは、自然界に存在しない光や他のエネルギーとの相互作用を可能にするミクロン／ナノメートルスケールのパターンや構造を中心に設計された、天然素材にはない特別な物理特性を持つ人工材料である。
メタマテリアルは、光学的な用途で繰り返される単位構造がナノメートルで測定されることから、しばしばナノテクノロジーと関連づけられます。メタマテリアルの創造は、ナノテクノロジーによってのみ可能となるのかもしれません。今後、数十年の間にナノテクノロジーが進歩すれば、より多くの新しいメタマテリアルが解き放たれ、その製造コストが削減されることでしょう。
2、メタマテリアルの特性
(i) メタマテリアルは、天然に存在する物質ではなく、人工的に設計・製造された物質である；
(ii) メタマテリアルは、単一または純粋な材料ではなく、複合またはハイブリッド材料である；
(iii) メタマテリアルは、負の屈折率、負の透磁率、負の誘電率、逆ドップラー効果など、すべての天然素材にはない超常的な物理特性を示します；
(iv) メタマテリアルは、材料の基本単位構造、形状、配向、配列などの物理的性質を変えることで、光、電磁波、音波を効果的に操作することができる；
3、メタマテリアルの種類
- 電磁波メタマテリアル
- アコースティックメタマテリアル
- メカニカルメタマテリアル
- 熱メタマテリアル
4、メタマテリアルの応用シナリオ
- スーパーレンズ
ハイパーレンズは、超表面に光を集光する光学素子で構成された2次元平面レンズ構造である。2019年の新興技術トップ10の1つとして注目されています。屈折率が正の場合、従来のレンズでは、消えゆく波の指数関数的な減衰速度により、波長2乗以下の領域に正確に光を集光することができません。エルンスト・カール・アッベが発見したように、従来のレンズは回折限界によって制限されるが、スーパーレンズ（超レンズ）はメタマテリアルを用いて屈折率-1を得ることで回折限界を超えている。スーパーレンズに入射した光は、図3に示すように、負の角度または負の屈折率を形成し、表面法線を持ち、二重焦点効果を経験します。スーパーレンズを得るためには、サブ波長物体の情報を変換し、歪みや情報の損失なく画像を再現するために、メタマテリアルは負の誘電率と負の透磁率の両方を持つ必要があります。また、レンズは、プレートの片側にある物体とレンズの反対側に形成される像との間にフェージング波を投射することができます。
負の屈折率メタマテリアルに入射する光
スーパーレンズは、薄型化、軽量化、低コスト化、高画質化、組み込みやすさなどのメリットがある。 構造体の形状、回転方向、高さなどを調整することで、光の偏光、位相、振幅を調整することができる。スーパーレンズは、地震・津波対策、超解像イメージング、量子フォトニクス、非線形光学、バイオセンシング、光回路素子、フォトリソグラフィーなど、さまざまな用途に利用することができる。
従来のレンズとスーパーレンズの比較
- 太陽電池用吸収体
太陽光を電気に変換するために、太陽光発電装置が広く使われています。しかし、太陽光のスペクトルの限られた部分しか変換できず、太陽光発電装置の効率は、ショックレー–クイックスリミット(シーツピーエヌ(ノード型太陽電池で達成可能な理論上のエネルギー変換限界値）。限界の話メタマテリアルが牽引する大きな進歩は、光吸収技術としての表面プラズモンとプラズモン光アンテナの開発である。表面プラズモン励起は、ナノスケールで光を誘導、集束、散乱させる能力があり、これによって作る太陽電池の光吸収を高めるのに理想的な存在になる。従来の太陽光発電用太陽電池の限界はいつ太陽電池の厚さは、以下の通りです。 100 µm効率になるが低く、しかし達成することプラズマ構造の場合、この問題意志解消され、できるようになりました。での電界強化中を、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、。削減バッテリー厚みとより多くのものを作る薄い。さらに、メタマテリアル表面で表面プラズマ励起が起こる時間これらを利用して、光吸収素子内で起こる相互作用を制御し、表面付近の電界を大幅に増強することができます。また、プラズマ光アンテナは、太陽電池の効率を大幅に向上させながら、デバイスのサイズを大幅に縮小できることから、研究が進められています。これらのアンテナは集光素子と同様の挙動を示し、吸収断面積を増加させながら反射損失を低減させます。
吸収体の模式図。(a)配列構造です；(b)アブソーバーユニットの構造；(c)アブソーバーユニットの上面図；(d)準備工程のイメージ図
- ワイヤレスパワートランスミッション（WPT）
ワイヤレス電力伝送：機器間に物理的なつながりを持たずに電気エネルギーを伝送すること。送受信機間で電磁界を発生させて電気を送るこの技術は、ワイヤレス充電器、バイオメディカルインプラント、電気自動車などの機器に使用されています。より多くの機器が無線化されるにつれて、より効率的な無線電力伝送（WPT）システムの需要が高まっており、メタマテリアルはこれらのシステムをより効率的にすることが期待されています。
周波数再構成可能なメタマテリアルを用いたデュアルロード磁気結合共振器(MRC)ーラジオエネルギー伝送(WFT)システム
メタマテリアルにはまだ多くの限界や欠点がありますが、その特異な特性から、国防、航空、建設など多くの分野での応用が期待されており、多くの研究者がメタマテリアルに投資しています。今後、生産技術や応用技術の成熟に伴い、世界のメタマテリアル産業はますます多くの企業が参入し、市場規模は急速に拡大していくでしょう。 2026年には世界のメタマテリアル市場規模は100億ドルに達すると予想され、産業の発展には素晴らしい展望が開けています。
を迅速に提供します。超鏡面レンズ / マイクロ・ナノ構造設計サービスお気軽にコメントをお寄せください。
