[論文レビュー] An electromagnetic black hole made of metamaterials

Qiang Cheng, Tie Jun Cui+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2009

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 24被引用数 24

ひとこと要約

本論文は、非共鳴性のI字型および共鳴性のELCメタマテリアルを用いて、マイクロ波帯域における電磁的ブラックホールを実験的に実現した。この装置は、曲がった時空を模倣するように設計された屈折率プロファイルにより、あらゆる方向からの入射電磁波を捕らえ、吸収する。装置は99%の吸収効率を達成し、理論的予測の妥当性を検証するとともに、エネルギー回収および熱放射応用への応用を可能にする。

ABSTRACT

Traditionally, a black hole is a region of space with huge gravitational field, which absorbs everything hitting it. In history, the black hole was first discussed by Laplace under the Newton mechanics, whose event horizon radius is the same as the Schwarzschild's solution of the Einstein's vacuum field equations. If all those objects having such an event horizon radius but different gravitational fields are called as black holes, then one can simulate certain properties of the black holes using electromagnetic fields and metamaterials due to the similar propagation behaviours of electromagnetic waves in curved space and in inhomogeneous metamaterials. In a recent theoretical work by Narimanov and Kildishev, an optical black hole has been proposed based on metamaterials, in which the theoretical analysis and numerical simulations showed that all electromagnetic waves hitting it are trapped and absorbed. Here we report the first experimental demonstration of such an electromagnetic black hole in the microwave frequencies. The proposed black hole is composed of non-resonant and resonant metamaterial structures, which can trap and absorb electromagnetic waves coming from all directions spirally inwards without any reflections due to the local control of electromagnetic fields and the event horizon corresponding to the device boundary. It is shown that the absorption rate can reach 99% in the microwave frequencies. We expect that the electromagnetic black hole could be used as the thermal emitting source and to harvest the solar light.

研究の動機と目的

• メタマテリアルを用いて、重力的ブラックホールの吸収特性を模倣する電磁的ブラックホールを実験的に実現すること。
• 非一様なメタマテリアルを設計することで、あらゆる方向からの電磁波が反射を伴わずらせん状に捕らえられ、吸収されることを実証すること。
• 完全波数シミュレーションと近接場測定を用いて、マイクロ波帯域における光学的ブラックホールの理論的予測を検証すること。
• 高効率な波吸収に基づく太陽光エネルギー回収および熱放射源としての実用的応用を検討すること。

提案手法

• 重力レンズ効果を模倣する勾配屈折率プロファイルを実現するため、非共鳴性のI字型および共鳴性のELCユニットを用いた径方向非一様なメタマテリアル構造を設計する。
• 力学と光学の間のハミルトニアン＝ジャコビおよびフェルマーの原理の類似性を用いて、コア方向への波ガイドのための有効屈折率分布を導出する。
• 所望の有効誘電率および透磁率を達成するため、幾何的制御が可能な平面状メタマテリアル層を用いて電磁的ブラックホールを製作する。
• 内部電場を平面波ガイド近接場走査系で測定し、波の捕らえ方と吸収の有効性を検証する。
• ポインティング定理を用いて吸収率を計算する全波数シミュレーションと実験結果を比較する。
• 吸収率を η = P_absorb / P_in として定義する。ここで P_absorb は複素ポインティングベクトルの表面積分から計算される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタマテリアルを用いた電磁的ブラックホールが、マイクロ波帯域で高い吸収効率を示すように実験的に実現可能か？
• RQ2 実験的波の捕らえ方と吸収結果は、理論的予測および数値シミュレーションとどの程度一致するか？
• RQ3 このデバイスは、さまざまな入射角およびビームタイプ（例：ガウスビーム、平面波、モノポール励起）からの電磁波をどの程度効率的に吸収するか？
• RQ4 電磁的ブラックホールは、太陽光や熱放射応用のための効率的なエネルギー集積源として機能可能か？

主な発見

• 中心に位置するガウスビーム入射時、実験的吸収率は99.94%に達し、ほぼ完全な波吸収を示した。オフセンター入射時も98.72%の高い吸収率を示した。
• モノポールプローブを用いた垂直入射時、測定された吸収率は99.55%であり、シミュレーション値とよく一致し、高い効率性を確認した。
• 25°の斜め入射時、波はらせん状にコアへ屈曲し、強い吸収が観測された。これはシミュレーション結果と一致した。
• 平面波入射（太陽光を模倣）時、吸収率は99.12%に達し、ほぼすべての入射波が捕らえられ、透過はほとんどなく、完全な影が形成された。
• デバイスの境界外では電磁界にほとんど干渉がなく、局所的な波制御が実現していることが示された。
• 実験測定値と全波数シミュレーションの間で良好な一致が得られ、メタマテリアル設計および理論モデルの妥当性が確認された。