Исследователи из России и Дании впервые разработали метаповерхность на основе самого распространенного вещества на Земле — воды. Искусственные структуры, называемые метаповерхностями, создаются учеными уже давно, но материалом для них обычно служат металлы и твердые диэлектрики. В отличие от этих веществ, вода обладает текучестью, что позволяет переключать свойства новой метаповерхности путем ее вращения. Ученые изучали свойства метаповерхности как раз в том диапазоне частот, в котором работают современные гаджеты, и предположили, что ее можно использовать для блокировки мобильного сигнала, а также в учебных целях. Исследование опубликовано в журнале Applied Physics Letters.

Водяная метаповерхность в безэховой комнат...

Водяная метаповерхность в безэховой комнате Университета ИТМО © Университет ИТМО

Метаповерхности — это искусственно созданные материалы, призванные управлять электромагнитными волнами различной природы. Такой материал можно представить как решетку из искусственных атомов, называемых мета-атомами. Обычно их изготовляют из металлов и керамики, но оказалось, что на эту роль хорошо подходит вода. В своем исследовании сотрудники Университета ИТМО и Датского технического университета показали, что водяная метаповерхность обладает функционалом металлической или кремниевой, но является крайне дешевой и способна перестраиваться прямо в процессе эксплуатации.

Водяная метаповерхность напоминает блистерную упаковку для таблеток, за тем исключением, что ячейки заклеены не металлической фольгой, а прозрачной пленкой, и вместо таблеток — вода. Оболочка должна поддерживать воду и быть прозрачной для микроволн, поэтому ученые вырезали ячейки в полистироле — материале с минимальными изолирующими свойствами.

Схема ячейки с водой — мета-атома

Схема ячейки с водой — мета-атома © Университет ИТМО

Примечательно, что водяную метаповерхность изготовить просто, а работает она очень наглядно. Поэтому ученые предлагают использовать их разработку в учебных целях. Студенты и школьники могут самостоятельно собрать подобную конструкцию из подручных средств (воздушных шариков или полиэтиленовых пакетов) и проверить ее работу на собственных гаджетах.

Ячейки метаповерхности имеют несимметричную овальную форму и заполнены водой лишь наполовину. Поэтому, когда поверхность наклоняется, вода перетекает, форма водяных мета-атомов изменяется, и они начинают по-другому взаимодействовать с электромагнитной волной. Иначе говоря, текучесть воды позволяет переключать свойства метаповерхности путем ее вращения. «Падающая волна частично проходит, частично отражается, частично поглощается. Перераспределяя воду внутри ячеек, мы изменяем баланс между пропусканием, отражением и поглощением. Этим определяется и то, где метаповерхность можно применить: в поляризаторах, фильтрах или селективных поглотителях волн», — отмечает Андрей Андриевский, сотрудник кафедры фотонной инженерии Датского технического университета.

Так, значительные площади стен можно покрывать водяными метаповерхностями, чтобы изолировать помещения от радиосигналов, например, для защиты информации или во время экзамена. «Мобильные телефоны GSM работают на частотах 0.9 ГГц и 1.8 ГГц — как раз в том диапазоне, в котором мы проводили исследования, — продолжает Андрей Андриевский. — Результаты показывают, что при помощи водяных метаповерхностей можно создавать эффективные поглощающие барьеры для радиоволн».

Свойства воды сильно зависят от температуры, поэтому рабочую частоту метаповерхности можно изменять, подогревая и охлаждая воду в ячейках. Более того, если поместить воду в эластичную оболочку, то можно сжимать и растягивать мета-атомы. Эти эффекты также дают воде преимущество перед традиционными твердыми элементами метаповерхностей.

Процесс выравнивания метаповерхности с пом...

Процесс выравнивания метаповерхности с помощью лазера, чтобы вода была везде одинаково распределена © Университет ИТМО

Эллипсоидная форма ячеек была выбрана неслучайно. «Круг — это простейшая фигура, — и мы нарушили ее симметрию, чтобы форма мета-атома менялась при повороте, — рассказывает Михаил Одит, первый автор статьи, сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО. — В принципе, форма ячеек может быть любой: можно делать угловатые L-ячейки, Т-ячейки, комбинировать их и получать замысловатые водяные лабиринты. При этом такие метаповерхности не только будут разнообразны по функционалу, но и смогут стать элементом декора».

Концепция использования воды в качестве мета-атомов была впервые предложена сотрудниками Датского технологического университета Андреем Андриевским и Андреем Лавриненко в 2015 году. Теперь же ученым удалось осуществить эту задумку в специальной микроволновой лаборатории Университета ИТМО.

Статья:

Mikhail Odit, Polina Kapitanova, Andrei Andryieuski, Pavel Belov, and Andrei V. Lavrinenko, Experimental demonstration of water based tunable metasurface, Applied Physics Letters, 2016:

http://dx.doi.org/10.1063/1.4955272

Пресс-служба Университета ИТМО