Ученые из НИТУ «МИСиС» и Университета Крита совместно разработали модель метаматериала, предназначенного для повышения управляемости электромагнитными волнами в микроэлектронных устройствах.
Новая разработка обеспечит существенное увеличение стабильности и скорости передачи сигналов в устройствах, например, в фильтрах, предназначенных для работы с различными частотными диапазонами. Статья опубликована в журнале Scientific
Reports
издательского дома Nature.
Среди наиболее многообещающих новых материалов, разрабатываемых на пересечении современного материаловедения, физики твердого тела, оптики и смежных дисциплин, особое место занимают метаматериалы. Это искусственно созданные структуры, характеризующиеся пространственной периодичностью и обладающие свойствами, не встречающимися в природных материалах. Метаматериалы находят применение, например, в производстве высокоточных сенсоров и стелс-покрытий.
Николаос Лазаридис и Георгиос Циронис, сотрудники лаборатории сверхпроводящих метаматериалов НИТУ «МИСиС» и Критского центра квантовой запутанности и нанотехнологий Университета Крита, провели моделирование метаматериала, имеющего тщательно выверенную структуру, обеспечивающую более эффективное управление распространением электромагнитных волн. Это позволит существенно увеличить скорость и стабильность передачи сигналов в микроэлектронных устройствах, например, в частотно-селективных фильтрах. Ключевыми элементами в разработанном метаматериале выступают кольцевые щелевые резонаторы, PT-симметрия, моды и плоские зоны.
На диэлектрической подложке, такой как керамика, кольцевые щелевые резонаторы размещаются в определенной конфигурации. Это небольшие (субмикронные) разомкнутые металлические кольца, которые связаны друг с другом посредством электрического и магнитного взаимодействия. В метаматериале присутствует симметрия четности-времени (PT-симметрия).
Первоначально подобная симметрия была выявлена в физике частиц, где одновременная смена трех координат частицы (x, y, z) на противоположные (-x, -y, -z), а также обращение времени t на -t, не приводит к изменению ее состояния. В рассматриваемом случае PT-симметрия достигается путем сбалансированного сочетания потерь и накачки в метаматериале.
Обладание PT-симметрией обеспечивает одновременное управление модами – гармоническими колебаниями, возникающими в каждом отдельном резонаторе (и, соответственно, во всей системе). Это позволяет формировать и увеличивать плоские зоны – частотные диапазоны, в которых частоты мод не зависят от их длины, что приводит к равенству их групповой скорости нулю.
Благодаря данному механизму контроля распространения волн, возможно проектирование систем, которые позволяют формировать локализованные моды. Это открывает возможности для создания новых метаматериалов с контролируемым распространением электромагнитных волн и локализацией их энергии.
В настоящее время ученые закончили компьютерное моделирование метаматериала и провели теоретические расчеты. В планах на будущее – продолжение работы, включающее совершенствование системы управления, а также изготовление и тестирование ее лабораторного прототипа.
Автор — Мария Перемитина