Metamateriaali

Metamateriaalit ovat keinotekoisia materiaaleja, joilla on tavanomaisista luonnonmateriaaleista poikkeavia erityisominaisuuksia. Metamateriaalien erityisominaisuudet syntyvät niiden hienorakenteesta ja pienistä epähomogeenisuuksista, jotka heijastuvat makroskooppisina ominaisuuksina.

Tavallisessa aineessa atomeista muodostuu hilarakenne, joka luo pohjan sen optisille ominaisuuksille. Keinotekoisissa metamateriaaleissa mikro- tai nanoskooppisista virtapiireistä muodostuu hila, joka reagoi ulkoiseen säteilyyn ja tuottaa oman säteilykenttänsä. Nämä kentät määräävät tällöin puolestaan metamateriaalien optiset ominaisuudet. Materiaalin rakenteen avulla voidaan hallita aineen reagointia ulkoiselle säteilylle.

Metamateriaalien tutkimus on tähän asti keskittynyt pääosin materiaaleihin, joilla on negatiivinen taitekerroin. Snellin lain mukainen taittumiskulma muuttuu tällöin negatiiviseksi, joten aineen rajapinnassa valonsäde taittuu eri puolelle pinnan normaalia kuin positiivisen taitekertoimen tapauksessa. Tällaista ainetta kutsutaan yleisesti myös vasenkätiseksi materiaaliksi, koska monet valon kulkua kuvaavat sormisäännöt vaihtavat näissä materiaaleissa "kätisyyttä". Esimerkiksi valon vaihenopeus ja ryhmänopeus ovat vastakkaissuuntaiset.

Metamateriaalin ansiosta sähkömagneettiset aallot saadaan etenemään niin, että ne kaartuvat metamateriaalista valmistetun laitteen ympäri ja palaavat alkuperäiselle kulkuväylälleen. Tällaisella materiaalilla voidaan periaatteessa tehdä kohteita näkymättömäksi. Näkymättömyyttä aikaansaavien viittojen lisäksi uusia materiaaleja voidaan todennäköisesti soveltaa optisten mikroskooppien ja mikropiirien toiminnan tehostamisessa. Sähkömagneettisten metamateriaalien lisäksi tutkitaan myös akustisia ja seismisiä metamateriaaleja.

Metamateriaaleilla voitaisiin rakentaa myös keinotekoisia madonreikiä. Suhteellisuusteoriassa madonreiällä tarkoitetaan tavallisen avaruuden ulkopuolella kulkevaa oikotietä kahden paikan välillä. Kansainvälinen matemaatikkoryhmä julkaisi metamateriaaleihin perustuvan madonreiän rakentamisen teorian vuonna 2007 Physical Review Letters -sarjassa. Tutkimuksen tehneeseen matemaatikkoryhmään kuuluu Suomesta Teknillisen korkeakoulun käänteisten ongelmien huippuyksikössä toimiva matematiikan professori Matti Lassas. Keinotekoisten madonreikien sovellusten arvioidaan liittyvän ensi vaiheessa erityisesti tutkatekniikkaan ja lääketieteelliseen kuvantamiseen. Myöhemmin keinotekoisia madonreikiä niputtamalla voitaisiin mahdollisesti toteuttaa muun muassa kolmiulotteinen TV-kuvaruutu. Madonreikien päät toimisivat tällöin kolmiulotteisen kuvan luomiseen tarvittavina pikseleinä.

Lähteet

Aiheesta muualla 

Materiaalitekniikka
Nanotiede