Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В результате выполнения первого этапа настоящего проекта был подготовлен литературный обзор, на основе 47 публикаций, позволяющий получить информацию о современном состоянии международных исследований в области создания микроволновых диэлектрических метаповерхностей. Было выполнено патентное исследование, позволяющее сделать вывод об отсутствии патентования объекта исследования настоящего проекта в патентном ведомстве Российской Федерации при одновременном растущем интересе к данной области за рубежом. Был сделан вывод о том, что большинство объектов патентования относятся к диэлектрическим метаповерхностям оптического диапазона. Кроме того, не было обнаружено патентов, где в качестве диэлектрического материала предлагалось бы использовать воду и растворы на основе воды. Были выполнены измерения комплексной диэлектрической проницаемости ряда жидкостей. Измерения показали, что дистиллированная вода на низких частотах имеет невысокие электромагнитные потери и может быть использована в микроволновых приборах. Диэлектрическими параметрами воды можно управлять путем изменения ее температуры и состава. Была разработана аналитическая модель мультипольного отклика диэлектрической частицы, позволяющая вычислять, в том числе, мультипольное разложение сечений экстинкции и рассеяния диэлектрических рассеивающих частиц. Были разработаны модели частиц различной формы, заполненных водой до определенного объема, или выполненных на основе микроволновой керамики. Численно и экспериментально показаны эффекты усиления поля внутри частиц вблизи резонансов Ми, возбуждение тороидального отклика внутри кластера частиц. Предложены частицы, которые работают на резонансе Ми-Фабри-Перо и обеспечивают однонаправленное многомодовое рассеяние электромагнитного излучения для произвольной поляризации. В ходе выполнения работ на первом этапе проекта были разработаны и экспериментально исследованы прототипы метаповерхностей. Численно и экспериментально показано, что прототип фокусирующей отражающей метаповерхности на основе бианизатропных диэлектрических частиц из микроволнового керамического материала с диэлектрической проницаемостью 10, осуществляет фокусировку отраженного электромагнитного поля в фокальное пятно, находящиеся на расстоянии 240 мм от метаповерхности, на частоте 5 ГГц. Численно и экспериментально показано, что прототип метаповерхности на основе прямоугольных частиц, выполненных из микроволнового керамического материала с диэлектрической проницаемостью 10, обеспечивает многомодовый отклик с двумя выраженными максимумами/минимумами на частотах 5.8 ГГц и 9.4 Ггц в спектре пропускания/отражения и обеспечивает однонаправленное рассеяние электромагнитной волны на данных частотах для заданной поляризации падающего излучения. Численно и экспериментально показано, что прототип метаповерхности на основе диэлектрических частиц, имеющих форму полого куба, выполненных из микроволнового керамического материала с диэлектрической проницаемостью 10, обеспечивает многомодовый отклик с тремя выраженными максимумами/минимумами в спектре пропускания/отражения на частотах 6.8 ГГц, 8.9 ГГц и 11.2 ГГц и обеспечивает однонаправленное рассеяние электромагнитной волны на данных частотах вне зависимости от поляризации падающего излучения.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
В результате выполнения второго этапа настоящего проекта была разработана аналитическая модель мультипольного отклика цилиндрической частицы, позволяющая вычислять, в том числе, мультипольное разложение сечений экстинкции и рассеяния диэлектрических рассеивающих частиц. Были разработаны модели частиц различной формы, заполненных водой до определенного объема, или выполненных на основе микроволновой керамики. Численно и экспериментально показаны эффекты усиления поля внутри частиц вблизи резонансов Ми, на частоте “запертой моды”, возбуждение тороидального отклика внутри кластера из частиц. Предложены ассиметричные диэлектрические частицы, в которых возникают высокодобротные состояния на частоте “запертой моды”. В ходе выполнения работ на втором этапе численно показано, что у диэлектрической частицы, имеющей форму цилиндра с выемкой в форме “улыбки”, смещенной относительно центра, выполненной на основе керамики с диэлектрической проницаемостью 25, возбуждается “запертая мода”, характеризующаяся магнитным полем, сосредоточенным в центре частицы. Было показано, что на основе исследуемой частицы возможна реализация метаповерхности, которая позволит производить переключение режима работы с пропускания электромагнитной волны на ее отражение. Было аналитически, численно и экспериментально продемонстрировано возникновение магнитного анапольного отклика в цилиндрической частице на основе воды на частоте 1.6 ГГц. Также экспериментально было показано, что в цилиндрической частице на основе воды, при определенных соотношениях радиуса и высоты, возбуждаются высокодобротные состояния. На следующем шаге была построена численная модель элементарной ячейки диэлектрической метаповерхности, обладающей доминирующим широкополосным тороидальным моментом. В качестве диэлектрического материала была использована микроволновая керамика с диэлектрической проницаемостью равной 10. Элементарная ячейка представляет собой кластер на основе четырех прямоугольных параллелепипедов с размерами: длина: 20 мм, ширина: 5 мм и высота 11 мм. В программном пакете CST Microwave Studio было выполнено численное моделирование отклика элементарных ячеек метаповерхностей для линейной поляризации падающей волны в диапазоне частот 5 – 13 ГГц. Для выполнения мультипольного разложения использовалась построенная ранее аналитическая модель, написанная в виде программного кода, использующая данные электрических полей, рассчитанных численно в программных пакетах CST Microwave Studio или Comsol Multiphysics. В результате проведенных работ выполнялся расчет коэффициентов передачи/отражения, ближних электромагнитных полей, мультипольное разложение. В рамках проекта был изготовлен экспериментальный прототип метаповерхности с размерами 550х550 мм и количеством элементарных ячеек 11х11. В качестве диэлектрического материала был использован керамический порошок Eccostock Hik Powder (диэлектрическая проницаемость 10, тангенс угла потерь 0.007). Далее было выполнено экспериментальное исследование его электродинамических характеристик (коэффициенты прохождения, отражения, распределение продольной компоненты ближнего электрического поля). Численно показано и экспериментально подтверждено, что в диапазоне 7 – 13 ГГц возникающий тороидальный момент является доминирующим. Также был показан частотно-селективный характер работы рассматриваемой метаповерхности.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В результате выполнения третьего этапа настоящего проекта была разработана аналитическая модель диэлектрической метаповерхности позволяющая проводить мультипольное разложение на основе данных электрических полей, рассчитанных численно в программных пакетах CST Microwave Studio или Comsol Multiphysics. В программном пакете CST Microwave Studio были разработаны численные модели следующих диэлектрических метаповерхностей: 1) поляризационно-нечувствительные диэлектрические метаповерхности на основе кластеров из асимметричных цилиндрических резонаторов со смещенной относительно центра выемкой в форме “улыбки”, ориентированных в соответствии с разными группами симметрии (𝐶4 и 𝐶4v); 2) Метаповерхность на основе элементарных ячеек, состоящих из диэлектрических тримеров. В первом случае были рассмотрены вопросы возбуждения резонансных состояний, соответствующих возбуждению связанного колебания типа ТЕ01 в поляризационно-нечувствительных диэлектрических метаповерхностях на основе кластеров из цилиндрических резонаторов, имеющих смещенную относительно центра выемку в форме “улыбки”. В качестве диэлектрика использовалась микроволновая керамика с относительной диэлектрической проницаемостью 25. Рассматривались несколько конфигураций кластеров, состоящих из идентичных ассиметричных цилиндрических резонаторов, ориентированных в соответствии с группами симметрии: Сs, C4 и C4v. Численно и экспериментально в полосе частот 8 – 12 ГГц в каждом случае было продемонстрировано наличие резонансного состояния, характеризующегося возникновением узкополосного минимума в частотной зависимости коэффициента прохождения, совместно с сосредоточением нормальной компоненты магнитного поля. Было показана идентичность спектральных характеристик коэффициентов отражения и прохождения для случаев С4 и С4v, при этом отличающимися по характеру распределения ближнего магнитного поля. Также, была продемонстрирована зависимость частоты резонанса от связи между резонаторами в кластере. Отличительной особенностью рассматриваемого состояния является то, что оно является одиночным резонансом с самой низкой частотой в спектре, что позволяет сделать размеры кластера малыми по сравнению с длиной волны и, таким образом, этот резонанс может быть легко распознан среди других резонансов в спектре. Полученные результаты могут быть использованы для создания высокочувствительных датчиков, фильтров. В эксперименте в качестве материала диэлектрика использовалась микроволновая керамика Taizhou Wangling TP-series с относительной диэлектрической проницаемостью 25 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0.015. Прототипы метаповерхностей содержат 12 × 12 кластеров (576 резонаторов) с периодом d = 22 мм. Было изготовлено три экспериентальных образца и для каждой из изготовленных метаповерхностей были измерены коэффициенты прохождения и отражения в полосе частот 8 – 12 ГГц для двух ортогональных поляризаций, а также распределения продольной компоненты ближнего магнитного поля. По результатам исследования была опубликована статья в журнале Physical Review B. Во втором случае были рассмотрены вопросы возбуждения резонансных состояний в диэлектрических метаповерхностях состоящих из диэлектрических тримеров. В работе была рассмотрена квадратная ячейка, содержащая тример, имеющий симметрию типа D3ℎ. Численно было показано, что при нормальном падении плоской линейно-поляризованной волны за счет определенного взаимодействия между соседними тримерами в метаповерхности, вследствие возникающей асимметрии в распределении поля из-за отличия симметрии элементарной ячейки от симметрии одиночного тримера, в частотной зависимости коэффициента прохождения возникает узкополосный минимум, сопровождающийся сильным ростом уровня и сосредоточением вблизи плоскости метаповерхности нормальной, по отношению к метаповерхности, компоненты электрического поля в центре тримера. Было продемонстрировано, что сильный рост и сосредоточение нормальной компоненты электрического поля связано с возбуждением неизлучающего тороидального дипольного момента в каждом из кластеров. При этом, минимум в спектре коэффициента прохождения объясняется резонансным возбуждением магнитного дипольного момента. Был изготовлен экспериментальный образец метаповерхности, в которых элементарные ячейки включают кластеры из идентичных диэлектрических цилиндров, объединенных в тримеры. В качестве диэлектрика использовалась микроволновая керамика Taizhou Wangling TP-series с относительной диэлектрической проницаемостью 23 и тангенсом угла диэлектрических потерь 0.01. В качестве подложки для резонаторов использовался материал Roofmate Sl-X, толщиной 20 мм, относительная диэлектрическая проницаемость которого близка к 1 в СВЧ диапазоне. Экспериментальный образец состоит из массива 12 × 12 тримеров, расположенных в узлах квадратной решетки с периодом 23 мм. Были измерены коэффициенты прохождения и отражения метаповерхности в полосе частот 7 – 9 ГГц, а также распределения продольной компоненты ближнего электрического поля на расстоянии 1 мм от метаповерхности. Образец располагался на расстоянии 2.0 метра от источника, которым являлась линейной поляризованная рупорная антенна. Экспериментальные результаты наглядно демонстрируют сосредоточение нормальной компоненты ближнего электрического поля в центре тримера, что в совокупности с результатами численного моделирования подтверждают возникновение тороидального дипольного момента. По результатам исследования была опубликована статья в журнале Advanced Optical Materials.