מטא-חומרים פוטוניים מציגים תגובה מגנטית בגודל שהוא שימושי בתדרים אופטיים. זה כולל פרמאביליות מגנטית שלילית, למרות היעדרם של חומרים מגנטיים. בדומה לחומרים אופטיים רגילים, ניתן להתייחס למטא-חומרים פוטוניים כאל תווך אפקטיבי המאופיין על ידי פרמטרים אפקטיביים ε(ω) ו-μ(ω) או באופן דומה, εeff ו-μeff..
מקדם השבירה השלילי של מטא-חומרים פוטוניים בתחומי התדרים האופטיים הודגם בניסוי בשנת 2005 על ידי Shalaev et al. (באורך הגל המשמש לתקשורת אופטית λ=1.5 מיקרומטר) ועל ידי Brueck et al (ב λ = 2 מיקרומטר), כמעט באותו הזמן.
מודל תווך אפקטיבי.
קירוב אפקטיבי של התווך (של ההעברה) מושג על ידי מודל המתאר משטחים (slabs) של חומר שכאשר הם מגיבים לעירור אלקטרומגנטי חיצוני הם "אפקטיבית" הומוגניים עם פרמטרים "אפקטיביים" תואמים הכוללים ε ו- µ "אפקטיביים" החלים על המשטח בכללותו. תאים בודדים עשויים להיות בעלי ערכים שונים מהמשטח. עם זאת, ישנם מקרים בהם קירוב התווך האפקטיבי אינו מתקיים וצריך להיות מודע לישימותו.
צימוד מגנטיות.
פרמאביליות מגנטית שלילית הושגה במקור בחומרים "שמאליים" בתדרי מיקרוגל באמצעות מערכים של מהוד טבעות מפוצל (SRR). ברוב החומרים הטבעיים, התגובה המצומדת-מגנטית מתחילה לרדת בתדרים בתחום הגיגה-הרץ, מה שמרמז כי מגנטיות משמעותית אינה מתרחשת בתדרים אופטיים. המקדם המגנטי האפקטיבי של חומרים כאלה הוא μeff = 1. מכאן שלרכיב המגנטי של שדה אלקטרומגנטי מוקרן אין כמעט השפעה על חומרים טבעיים בתדרים האופטיים.
התא הבודד במטא-חומרים פועל כמטא-אטום, כלומר מייצר דיפול מגנטי בקנה מידה גדול יותר (על פי עיקרון הסופרפוזיציה) המקביל לזה של האטום שהוא בסדר גודל פיקומטרי. למטא-אטומים המורכבים מזהב ניתן להשיג μ&lt;0 בתדרי תקשורת אך לא בתדרי האור הנראה. בתדרי האור הנראה מתווסף התנאי המגביל האולטימטיבי של תכונת תדירות הפלזמה של מתכות, כלומר, תא ה-SRR הבודד יתפקד כל עוד המתכת ממנה הוא בנוי תתנהג כמתכת בתדר העירור.
תכנון וייצור.
אורכי הגל האופטיים קצרים בהרבה משל גלי מיקרוגל, מה שמקשה על מימושם של מטא-חומרים אופטיים בגודל תת-גל. ניתן לייצר מטא-חומרים למיקרוגל מחומרים של מעגלים מודפסים, בשעה שיש להשתמש בטכניקות ליתוגרפיה כדי לייצר מטא-חומרים פוטוניים. ניסויים שהצליחו השתמשו בסידור מחזורי של חוטים קצרים או חלקים מתכתיים עם צורות מגוונות. במחקר אחר כל הלוח היה מחובר חשמלית. טכניקות ייצור כוללות ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים, ננו-עיצוב (nanostructuring) עם קרן יונים ממוקדת וליתוגרפיה של התאבכות.
בשנת 2014 יוצר והוצג אב-טיפוס של מטא-חומר שאינו רגיש לקיטוב, הסופג אנרגיה בפס רחב (סופר-אוקטבה) של אורכי גל אינפרה-אדום. החומר ניחן ביותר מ־98% ספיגות (absorptivity) ממוצעת נמדדת שנשמרה על פני שדה ראייה רחב של ±45° לאורכי גל ביניים של אינפרה-אדום בין 1.77 ל־4.81 מיקרומטר. שימוש אחד הוא להסתיר עצמים מחיישני אינפרה-אדום. נמצא שהיסוד פלדיום סיפק פס רחב יותר מכסף או זהב. אלגוריתם גנטי שינה באקראי תבנית מועמדת ראשונית, תוך שהוא בודק ומנפה את הכל מלבד את הטובה ביותר. התהליך חזר על עצמו במשך "דורות" רבים עד שהתכן נהיה לאפקטיבי.
המטא-חומר עשוי מארבע שכבות על מצע סיליקון. השכבה הראשונה היא פלדיום, מכוסה בפולימיד ומעליו מסך פלדיום. במסך יש פתחים באורכי תת-גל החוסמים את אורכי הגל השונים. שכבת פולימיד מכסה את כל שכבת החומר סופג הקרינה. הוא יכול לספוג 90 אחוז מקרינת האינפרה-אדום בזווית של עד 55 מעלות למסך. השכבות אינן זקוקות להתאמה מדויקת. כיסוי הפולימיד מגן על המסך ומסייע בהפחתת כל חוסר תאום עכבות (impedance mismatch) העלול להתרחש כאשר הגל עובר מהאוויר למתקן.
מחקר.
שידור חד כיווני.
בשנת 2015 הצליחו לייצר מטא-חומר בעל מקדם שבירה שלילי (NIM) היכול להוביל גם אור נראה בכיוון אחד בלבד (מראות "חד כיווניות" רק מצמצמות את העברת האור בכיוון ההפוך, ודורשות רמת אור נמוכה מאחורי המראה כדי לעבוד).
החומר שילב שני מבנים ננו אופטיים: בלוק רב שכבתי של יריעות כסף וזכוכית מתחלפות וסריגי מתכת. מבנה הזכוכית-הכסף הוא מטא-חומר "היפרבולי", המטפל באור באופן שונה, בהתאם לכיוון התפשטות הגלים. כל שכבה היא בעובי של עשרות ננומטר - דקה בהרבה מ -400 עד 700 ננומטר של האור הנראה, מה שהופך את הבלוק לאטום לאור הנראה, אם כי אור הנכנס בזוויות מסוימות יכול להתפשט בתוך החומר.
הוספת סריגי כרום עם רווחים באורכי תת-גל גרמה להטיית האור האדום או ירוק שנכנסו, מספיק כדי שהם יוכלו להיכנס ולהתפשט בתוך הבלוק. בצד הנגדי של הבלוק, קבוצה סריגים אחרת אפשרה לאור לצאת בזווית שונה מכיוונו המקורי. המרווח בין סריגי היציאה היה שונה מזה של סריגי הכניסה, על מנת להטות את האור המתקדם ולאפשר לו לצאת כך שאור חיצוני לא יוכל להיכנס לבלוק מהצד הזה. בערך פי 30 יותר אור עבר בכיוון קדימה מאשר בכיוון ההפוך. מבנה הבלוקים המעורב הפחית את הצורך ביישור מדויק של שני הסריגים זה ביחס לזה.
מבנים כאלה טומנים בחובם פוטנציאל ליישומים בתקשורת אופטית. למשל, הם יכולים להשתלב בשבבי מחשב פוטוניים המפצלים או משלבים אותות המועברים על ידי גלי אור. יישומים פוטנציאליים אחרים כוללים חיישנים ביולוגיים באמצעות חלקיקים בקנה מידה ננומטרי כדי להסיט אור לזוויות תלולות מספיק כדי לעבור דרך החומר ההיפרבולי ולצאת מהצד השני.
מרכיבי מעגל מקובצים (Lumped circuit elements).
על ידי שילוב של ננו-חלקיקים פלזמוניים (plasmonic) ולא פלזמוניים, ננו-מעגלים המורכבים מאלמנטי מעגל מקובצים הפרושים מרחבית, והפועלים באינפרה-אדום ובתדרי אור אופטיים, נראים אפשריים למימוש.
אלמנטי מעגל מקובצים הוכחו כעובדים בתחום תדרי המיקרוגל ותדרי הרדיו (RF). עקרון האלמנט המקובץ איפשר את הפיכת האלמנטים לפשוטים יותר ואת המעגלים למודולריים. טכניקות ייצור בקנה מידה ננומטרי קיימות להשגת צורות גאומטריות בגודלי תת-אורך גל.
תכנון תאים.
מתכות כמו זהב, כסף, אלומיניום ונחושת מוליכות זרם בתדרי RF ומיקרוגל. בתדרים האופטיים משתנים המאפיינים של כמה מתכות אצילות. במקום זרימת זרם רגילה, תהודות פלזמוניות מתרחשות כאשר החלק הממשי של המקדם הדיאלקטרי המרוכב נהיה שלילי. לכן, הזרם העיקרי הוא בעצם צפיפות זרם ההעתק החשמלי (נגזרת חלקית של D לפי t) וניתן לכנותה "זרם אופטי".
בקנה מידה של אורכי תת-גל, העכבה (impedance) של התא הופכת לתלויה בצורה, בגודל, בחומר ובתאורה בתדרים האופטיים. כיוון החלקיק עם רכיב השדה החשמלי האופטי עשוי גם לסייע בקביעת העכבה. לחומרים דיאלקטריים קונבנציונליים מסיליקון הרכיב הממשי של המקדם הדיאלקטרי חיובי εreal &gt; 0 בתדרים האופטיים, מה שגורם לחלקיק הננו להתנהג כעכבה קיבולית, ננו-קבל. לעומת זאת, אם החומר הוא מתכת אצילה כמו זהב או כסף, עם εreal &lt; 0 אז הוא מקבל מאפיינים השראותיים והופך לננו-משרן (nanoinductor). הפסדים מיוצגים כננו-נגד.
יכולת כוונון.
הדרך הנפוצה ביותר להשיג מקדם שבירה הניתן לכוונון היא כוונון אלקטרו-אופטי. כאן השינוי במקדם השבירה הוא יחסי לשדה החשמלי שמפעילים, או שהוא יחסי לערך המוחלט בריבוע של השדה החשמלי. אלו הם אפקט פוקלס (Pockels effect) ואפקט קר (Kerr effects) בהתאמה.
לחלופין, אפשר להשתמש בחומר אופטי לא ליניארי ולסמוך על עוצמת השדה האופטי שתשנה את מקדם השבירה או הפרמטרים המגנטיים.
יצירת מבני שכבות.
הערמת שכבות (stacking) יוצרת חומרים בעלי מקדמים שליליים (NIM) בתדרים אופטיים. עם זאת, תצורת המשטח (לא מישורית, גדולה) של המהודים הטבעתיים המפוצלים מונעת בדרך כלל הערמה. אף על פי שניתן לבנות מהוד טבעתי מתפצל בשכבה אחת על משטח דיאלקטרי, זה יחסית קשה לערום מבנים גדולים אלה בשל דרישות טולרנסים ליישור. טכניקת הערמה עבור מהודים טבעתיים מפוצלים פורסמה בשנת 2007 ומשתמשת במרווחים דיאלקטריים כדי לרדד את שכבת המהודים הטבעתיים המפוצלים. נראה כי ניתן ליישם שכבות רבות בדרך זו, כולל כל מספר נבחר של תאי יחידה וסידורים מרחביים משתנים של שכבות בודדות.
הכפלת תדר.
בשנת 2014 הכריזו חוקרים על פיתוחה של מראה מכפילת-תדר לא-ליניארית בעובי של 400 ננומטר הניתנת לכוונון לעבודה בתדרים הקרובים לאינפרה-אדום עד אמצע תחום האינפרה האדום, ועד לטרה הרץ. החומר פועל באור בעוצמה נמוכה בהרבה מאשר בגישות המסורתיות. עבור עובי מבנה ועוצמת אור בכניסה נתונים, המטא-חומר מייצר תפוקה בעוצמה הגבוהה פי מיליון. המראות אינן דורשות התאמה למהירויות הפאזה של גלי הכניסה והיציאה.
המראה יכולה לייצר תגובה לא ליניארית גדולה לתהליכים אופטיים לא-ליניאריים מרובים, כגון הרמוניה שנייה, יצירת תדרי סכום והפרש, כמו גם מגוון תהליכי עירבוב של ארבעה גלים. מכשיר ההדגמה המיר אור באורך גל של 8000 עד 4000 ננומטר.
המכשיר עשוי מהערמה (stack) של שכבות דקות של אינדיום, גליום וארסן או אלומיניום, אינדיום וארסן. 100 משכבות אלו, כל אחת מהן בעובי של אחד עד שנים עשר ננומטר, כוסו מלמעלה על ידי תבנית של ננו-מבנים אסימטריים מוצלבים מזהב שיצרו בורות קוונטיים מצומדים ושכבת זהב תחתונה.
יישומים פוטנציאליים כוללים חישה מרחוק ויישומים רפואיים הדורשים מערכות לייזר קומפקטיות.
שבירה כפולה
גלי פני השטח של דיאקונוב (Dyakonov surface wave, DSW) מתייחסים לשבירה כפולה הקשורה לגבישים פוטוניים ולאנאיזוטרופיות במטא-חומר. לאחרונה מטא-חומר פוטוני פעל ב-780 ננומטר (אינפרה-אדום הקרוב), 813 ננומטר ו- 772 ננומטר.
מטא-חומר פוטוני בישראל.
אוניברסיטת תל אביב.