فراسطح الکترومغناطیسی

بندانگشتی|275x275پیکسل|یک فراسطح الکترومغناطیسی تنظیم‌شدنی با کریستال مایع.
**فراسطح الکترومغناطیسی** (به انگلیسی: Electromagnetic metasurface)، ساختار دوبعدیِ مهندسی‌شده‌ای است که برای کنترل رفتار امواج الکترومغناطیسی به‌کمک آرایه‌ای از ساختارهای زیرطول‌موج (به انگلیسی: subwavelength)، طراحی شده‌است. 

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. ضریب شکل نازک و مسطح‌شان به آنها اجازه می‌دهد تا به ویژگی‌هایی دست یابند که به طور سنتی نیازمند اجزای نوری پرحجم - مانند لنزها یا قطبنده‌ها - هستند.

فراسطح‌ها معمولاً از چیدمان‌های متناوب یا نامتناوب عناصر رزونانسی - مانند آنتن‌های فلزی، پراکَنَنده‌های دی‌الکتریک یا لایه‌های نازک الگودار (به انگلیسی: patterned films) - ساخته می‌شوند که با امواج بَرخورنده (به انگلیسی: incident waves) برهمکنش دارند. 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. گسترش سریع آنها، آنها را موضوعی مهم در پژوهش‌های نانوفوتونیک، آنتن و علم مواد کرده‌است.

## 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. ازآنجاکه ضخامت آنها در مقایسه با طول موج ناچیز است، فراسطح‌ها را می‌توان ناپیوستگی‌هایی در نظر گرفت که دامنه، فاز یا قطبش امواج برخورنده را تغییر ناگهانی می‌دهند.

اگرچه جنبه‌های گوناگونی از فراسطح‌ها - از آرایه‌های نانوآنتنی گرفته تا پراکننده‌های متناوب یا لایه‌های نازک با جذب نامعمول - پیش کشیده‌ شده‌اند، 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. 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.
* 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.

; از دیدگاه کاربرد

* هدایت و تمرکز پرتو - تغییر مسیر یا تمرکز انرژی از راه کنترل گرادیان فاز.
* شکل‌دهی جبهه موج و هولوگرافی - تولید پرتوهای ساختاریافته (هولوگرام‌ها، پرتوهای گردابی) از راه کنترل دامنه و فاز.
* تغییر پراکنش - طراحی پاسخ فرکانسی/زمانی برای فیلتر کردن یا تصحیح رنگ.
* 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.

## تاریخچه
پژوهش درباره فراسطح الکترومغناطیسی، سابقه‌ای طولانی دارد. در ۱۹۰۲، رابرت وود دریافت که طیف‌های بازتابی توری فلزی (به انگلیسی: metallic grating) زیرطول‌موج دارای نواحی تاریک هستند. این پدیدۀ نامعمول *ناهنجاری وود* (به انگلیسی: Wood anomalies) نام گذاشته شد و به کشف پلاریتون پلاسمون سطحی (SPP) - یک موج الکترومغناطیسی خاص که در سطوح فلزی برانگیخته می‌شود - انجامید. 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. 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.

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.

در سال‌های اخیر، چندین فراسطح جدید توسعه یافته‌اند، از جمله فراسطح‌ پلاسمونی، فراسطح‌ بر پایۀ فازهای هندسی، فراسطح‌ بر پایۀ صفحات امپدانس، و فراسطح‌ لغزش-متقارن (به انگلیسی: symmetric-glide).

## کاربردها
از مهم‌ترین کاربردهای فراسطح‌ها، کنترل جبهه موج امواج الکترومغناطیسی با تغییر دادن موضعی-گرادیانی فاز امواج برخورنده است که به تعمیم قوانین کلاسیک بازتاب و شکست می‌انجامد. به این ترتیب، یک فراسطح می‌تواند به عنوان یک لنز مسطح، لنز روشنایی، هولوگرام مسطح، مولد گرداب، منحرف‌کننده پرتو، آکسیکون و ... استفاده شود. 

افزون بر لنزهای فراسطحی گرادیانی، اَبَرلنزهای فراسطحی با استفاده از امواج میرا (به انگلیسی: evanescent waves)، جنبۀ دیگری از کنترل جبهه موج را به دست می‌دهند. 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.

لنز متمرکزکننده فراسطحی تمام‌دی‌الکتریک زیرطول‌موج (به انگلیسی: all-dielectric subwavelength metasurface) که در محدوده مادون قرمز عمل می‌کند را شالِو (به انگلیسی: Shalaev) و با همکاری تیمی از ریتیون پیش نهاده‌اند. امروزه این لنز در محصولات ریتیون استفاده می‌شود.

یکی دیگر از کاربردهای نویدبخش فراسطح، در فناوری پنهان‌کاری است. 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.

## 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).

## همچنین ببینید

* کینوفرم

## منابع

رده:فراموادها
رده:فوتونیک