موضوع مقاله: فراسطح الکترومغناطیسی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # فراسطح الکترومغناطیسی | مقدمه: برخلاف فرامواد پرحجم (به انگلیسی: bulk) که به‌کمک ساختارهای سه‌بعدی به خواص نامعمول دست می‌یابند، فراسطح‌ها با اعمال تغییرات ناگهانی در دامنه، فاز یا قطبش، امواج را روی سطح‌ دست‌کاری می‌کنند. | ## بخش 1: فراسطح الکترومغناطیسی | ضریب شکل نازک و مسطح‌شان باعث می‌شود که آنها به ویژگی‌هایی دست یابند که به طور سنتی نیازمند اجزای نوری پرحجم - مانند لنزها یا قطبنده‌ها - هستند. بسته به طراحی، فراسطح‌ها می‌توانند در حالت‌های بازتابی، عبوری یا جذبی عمل کنند و در هدایت پرتو، شکل‌دهی جبهه موج، هولوگرافی و پراکنش موج به کار روند. در طرح‌های پیشرفته‌تر، با به‌کارگیری مواد تنظیم‌شدنی (مانند کریستال‌ مایع، گرافن یا ترکیبات تغییردهنده فاز)، سطوح هوشمند قابل بازپیکربندی (به انگلیسی: reconfigurable) را می‌سازند که کنترل پویا و قابل برنامه‌ریزی الگوهای پراکنش و تابش را فراهم می‌کنند. فراسطح‌ها برپایۀ مطالعات اولیه پراش غیرعادی در توری‌های فلزی ( ناهنجاری وود، ۱۹۰۲) و سپس توسعه پلاریتون‌های پلاسمون سطحی بنا شده‌اند. این حوزه در اوایل دهه ۲۰۰۰ با ظهور نانوساختارهای پلاسمونی و در دهه ۲۰۱۰ با معرفی اپتیک تخت و هولوگرام‌های مسطح، گسترش قابل توجهی یافت. از آن زمان، فراسطح‌ها برای گستره‌ای از طول موج‌ها - از فرکانس رادیویی (RF) و مایکروویو گرفته تا نور مرئی - توسعه یافته‌اند و امکان فناوری پنهان‌کاری (به انگلیسی: stealth)، مخابرات، تصویربرداری و حسگرهای زیستی را فراهم کرده‌اند. فراسطح‌ها به عنوان بستری چندکاره در کاربردهای الکترومغناطیسی و نوری، مطالعه گسترده شده‌اند. آنها از سویی به عنوان ابزار کاوِش قوانین تعمیم‌یافته بازتاب و شکست، و از سوی دیگر به عنوان فناوری‌های توانمندساز برای سیستم‌های نوری فشرده، کاهش سطح مقطع راداری، فوتونیک یکپارچه و تصویربرداری زیستی عمل می‌کنند. تعریف و دسته‌بندی یک فراسطح، یک آرایه دو بعدی مصنوعی از عناصر زیرطول‌موج است که در کنار هم، خواص امواج الکترومغناطیسی را در یک محیط واسط (به انگلیسی: interface) کنترل می‌کنند. مفهوم مشترک آنها این است که فراسطح‌ها برخلاف فرامواد پرحجم، با ساختارهای دوبعدی مهندسی‌شده به ویژگی‌هایشان دست می‌یابند. فراسطح‌ها را می‌توان بسته به نحوه تعامل، کاربرد یا سازوکار، به چندین دسته‌ تقسیم کرد، گرچه این دسته‌ها اغلب هم‌پوشانی دارند. | ## بخش 2: فراسطح الکترومغناطیسی | برای نمونه، یک سیستم فراسطحی، ممکن است هم بازتابنده و هم قابل بازپیکربندی باشد، یا اینکه همزمان برای هدایت پرتو و تبدیل قطبش به کار رود. از دیدگاه تعامل بازتاباننده (آرایه آنتن بازتاباننده) - امواج برخورنده را با بازتاب، تغییر شکل می‌دهد، معمولاً با استفاده از یک صفحه زمین فلزی.Kildishev, A. گذراننده (آرایه آنتن فرستنده) - امواج را هنگام عبور تغییر می‌دهد و مانند لنزهای فوق نازک عمل می‌کند. جذب‌کننده (جذب‌کننده فراموادی) - بازتاب و عبور را سرکوب می‌کند تا جذب تقریباً کامل حاصل شود. شکل‌دهی جبهه موج و هولوگرافی - تولید پرتوهای ساختاریافته (هولوگرام‌ها، پرتوهای گردابی) از راه کنترل دامنه و فاز. تبدیل قطبش - تبدیل حالت‌های قطبش خطی و دایره‌ای، اغلب از راه عناصر فاز هندسی (پانچاراتنام-بری). از دیدگاه سازوکار فراسطح نافعال - برای پاسخ استاتیک به هندسه ثابت متکی است (برای نمونه، طرح‌های هولوگرافیک یا موج نشتی). فراسطح قابل بازپیکربندی (که RIS یا فراسطح قابل برنامه‌ریزی نیز نامیده می‌شود) - اجزای تنظیم‌شدنی مانند MEMS، کریستال‌ مایع یا گرافن را در خود جای می‌دهد تا کنترل پویای الگوهای پراکنش و تابش را فراهم کند. سپس، پدیده مهم دیگری - رابطه لوی-چیویتا - پیش نهاده شد که بیان می‌کند یک لایه نازک با ضخامت زیرطول‌موج می‌تواند به تغییر چشمگیر در شرایط مرزی الکترومغناطیسی بیانجامد. فراسطح‌ها می‌توانند برخی مفاهیم کلاسیک مایکروویو، مانند سطوح انتخابگر فرکانس (FSS)، صفحات امپدانس و حتی صفحات اهمی را نیز در بر گیرند. در مایکروویو، ضخامت این سطوح می‌تواند بسیار کوچکتر از طول موج باشد (برای نمونه، یک‌هزارم طول موج) زیرا عمق پوستی در فلزات بسیار رسانا، بسیار اندک است. | ## بخش 3: فراسطح الکترومغناطیسی | در برخی پدیده‌های جدید، مانند جذب کامل همدوس، یک لایه نازک 0.3 نانومتری می‌تواند همه امواج الکترومغناطیسی را در فرکانس‌های RF، مایکروویو و تراهرتز جذب کند.Pu, M.; et al. در کاربردهای نوری، یک پوشش ضدبازتاب می‌تواند به عنوان یک فراسطح ساده نیز در نظر گرفته شود، چنان‌که لرد رِیلی این پدیده را نخستین بار مشاهده کرد. با پلاسمون‌های سطحی در لایه‌های فلزی فوق نازک، تصویربرداری بی‌نقص و لیتوگرافی با وضوح فوق‌العاده امکان‌پذیر است، که فرض محدود بودن همه سیستم‌های لنزی نوری به پراش - پدیده‌ای به نام حد پراش - را نقض می‌کند. سطح مقطع راداری یک هدف، به طور مرسوم با استفاده از مواد جاذب تابش، یا با شکل‌دهی هدف به‌گونه‌ای که انرژی پراکنده‌شده از آن بتواند منحرف شود، کاهش داده می‌شود. متأسفانه، عملکرد این مواد به باند فرکانسی باریکی محدود است و شکل‌دهی هدفمند، عملکرد آیرودینامیکی هدف را نیز محدود می‌کند. فراسطح‌هایی ساخته شده‌اند که انرژی پراکنده‌شده از هدف را با استفاده از نظریه آرایه یا قانون تعمیم‌یافته اسنل، از هدف منحرف می‌کنند. فراسطح را همچنین می‌توان با موج‌برهای نوری برای کنترل امواج الکترومغناطیسی هدایت‌شده درآمیخت. کاربردهایی را برای فراموج‌برها - مانند مبدل‌های حالت موج‌بر یکپارچه، تولید نور ساختاریافته، مالتی‌پلکسرهای همه‌کاره، و شبکه‌های عصبی فوتونی - می‌توان در نظر گرفت. افزون بر این، فراسطح‌ها در جاذب‌های الکترومغناطیسی، مبدل‌های قطبش، قطبش‌سنج‌ها و فیلترهای طیفی نیز کاربرد دارند. دستگاه‌های تصویربرداری زیستی و حسگر زیستی جدید بر پایۀ فراسطح نیز به‌تازگی ظهور کرده‌اند. بزرگی و سنگینی بسیاری از دستگاه‌های تصویربرداری زیستی بر پایۀ اپتیک، کاربرد بالینی آنها را محدود کرده‌است. | ## جمع‌بندی | شبیه‌سازی شبیه‌سازی برهم‌کنش امواج الکترومغناطیسی روی فراسطح‌ها برای امکان‌پذیر کردن طراحی آنها، به چندین روش‌ انجام می‌شود؛ مانند روش‌ تفاضل محدود در حوزه زمان (FDTD)، روش‌ اجزاء محدود (FEM) و تحلیل دقیق موج جفت‌شده (RCWA).