Instytut Łączności

Seminarium dr. hab. Mariana Marciniaka, profesora IŁ-PIB z Zakładu Centralnej Izby Pomiarów Telekomunikacyjnych pokazało, że „epsilon bliskie zeru” (ENZ) to nie egzotyczna ciekawostka z fizyki materiałowej, ale realne narzędzie inżynierskie - od optoelektroniki po anteny mikrofalowe.

Elektryczna przenikalność jest parametrem, który charakteryzuje odpowiedź materiału na pole elektryczne. To ona decyduje, jak fala elektromagnetyczna zachowa się w ośrodku

- przypomniał prelegent, porządkując fundamenty.

Materiały ENZ to takie, w których rzeczywista przenikalność zbliża się do zera. W praktyce oznacza to bardzo nietypową propagację fali elektromagnetycznej: wydłużenie efektywnej długości fali w strukturze, zmiany fazy niemal bez zmiany amplitudy czy silne efekty  zakłócające (interferencyjne).

NZ, materiały o prawie zerowej przepuszczalności fal elektromagnetycznych, umożliwiają m.in. miniaturyzację anten, zwiększenie kierunkowości i kontrolę przepływu energii.

Badania nad prawie-zerową przenikalnością materiałów to obszar naukowej współpracy polsko-ormiańskiej . Wspólnie z naukowcami z Armenii naukowcy Instytutu Łączności badają zarówno naturalne materiały (jak ITO, czyli tlenek indowo - cynowy czy domieszkowane półprzewodniki), jak i struktur sztucznych - metamateriałów i wielowarstwowych układów metal-dielektryk (czyli metal-izolator)

Gdzie można zastosować wyniki tych badań?  Prof. Marciniak wskazuje na anteny mikrofalowe, stosowane np w nadawaniu satelitarnym, wyjaśniając to naturą fal elektromagnetycznych. 

W mikrofalach konstruowanie materiałów ENZ jest znacznie łatwiejsze niż w optyce, bo długości fal są większe

- zauważył prelegent, wskazując na potencjał w projektowaniu anten radarowych i komunikacyjnych.

ENZ, materiały o prawie zerowej przepuszczalności fal elektromagnetycznych, umożliwiają m.in. miniaturyzację anten, zwiększenie kierunkowości i kontrolę przepływu energii.

Sercem seminarium była autorska metoda modelowania struktur wielowarstwowych, rozwijana przez prof. Hovika Baghdasaryana i jego zespół na Politechnice w Erywaniu.
Klasyczne podejście opiera się na superpozycji dwóch fal biegnących w przeciwnych kierunkach.Superioryzacja fal jest zjawiskiem nakładnia się fla na siebie – w tej samej amplitudzie się wzmacniają a w przeciwnej - mogą się nawet wygasić. Zespół badawczy zaproponował inne rozwiązanie.

Nie sumujemy dwóch fal propagujących. Reprezentujemy rozwiązanie jako jedno wyrażenie - i to daje większą elastyczność

- wyjaśniał dr Marciniak.

Metoda pozwala sprowadzić problem do układu równań różniczkowych zwyczajnych pierwszego rzędu - wygodniejszych numerycznie  i bezpośrednio analizować przepływ energii (wektor Poyntinga) w strukturze.

Wyniki pokazują, że nawet niewielkie zmiany parametrów warstwy o przenikalności bliskiej zeru mogą radykalnie zmienić charakter odbicia i transmisji.

Ciekawym wątkiem była analogia do mechaniki kwantowej.

Problemy mechaniki kwantowej, optyczne i elektromagnetyczne w ośrodkach o zmiennym współczynniku załamania są zaskakująco podobne

- podsumował dr. Marciniak.

Seminarium, choć bardzo głęboko specjalistyczne, pokazało, że problem znalezienia efektywnych, dostępnych cenowo i spełniających wymagania materiałów o prawie zerowej przenikalności fal elektromagnetycznych (ENZ) jest możliwe.  To nie tylko temat akademicki – zapewniali z przekonaniem naukowcy To realne narzędzie do projektowania nowej generacji struktur fotonicznych i mikrofalowych - od optyki po telekomunikację. A może i poza tymi obszarami.