Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Научные работы, запланированные на первый этап проекта, были выполнены в полном объеме и были получены все заявленные результаты. Работы были сгруппировать по основным четырем блокам. Первый блок работ был посвящен исследованию нелинейных метаповерхностей для клинических магнитно-резонансных томографов (МРТ). В ходе работ были построены численные модели, получены результаты численного моделирования характеристик, были изготовлены прототипы и получены результаты экспериментальные исследования двух нелинейных меаповерхностей для клинических МРТ, включая исследования в условиях клинического аппарата МРТ на фантомах для контроля качества изображений. Экспериментальное исследование метаповерхности на основе параллельных проводников и диэлектрика на клиническом МРТ с величиной постоянного магнитного поля 1,5 Тл показало, что отношение сигнал/шум (ОСШ), измеренное на программе градиентное эхо (TR=1010 мс, TE=12 мс), равно 18. В то время, как стандартной катушка типа птичья клетка при аналогичном измерении показала ОСШ=4. Таким образом, показано улучшение качества МР-изображений при использовании предложенной метаповерхности. Экспериментальное исследование второго прототипа метаповерхности на основе параллельных проводников и конденсаторов на клиническом МРТ с величиной постоянного магнитного поля 1 Тл показало ОСШ=37, измеренное на программе градиентное эхо (TR=800 мс, TE=20 мс). Аналогичные измерения на стандартной катушке типа птичья клетка показали ОСШ=12. Второй блок работ был посвящен управляемым метаповерхностям СВЧ и миллиметрового диапазонов с управляющими элементами в виде диодов и сегнетоэлектрических конденсаторов. За первый год проекта были определены формы резонансных элементарных ячеек отражательных метаповерхностей для различных видов управляющих элементов: сегнетоэлектрического конденсатора двух видов, варакторного диода и pin-диода. Численные модели были построены как для диапазона 8-12 ГГц, так и для диапазона 24-28 ГГц. С помощью изготовленных элементарных ячеек в следующем году проекта будут уточняться параметры вышеуказанных элементов и закладываться в расчет окончательных параметров элементарной ячейки отражательной метаповерхности. Также были исследованы методы получения сегнетоэлектрических конденсаторов с управляемостью ~2 и ~5 и изготовлены партии соответствующих конденсаторов для применения в составе ячеек метаповерхности. Таким образом, проведены подготовительные работы к проектированию полноразмерных управляемых отражательных поверхностей для обоих диапазонов. Предполагается, что поверхность для диапазона 8-12 ГГц может использоваться в спутниковой связи, в то время как поверхность на диапазон 24-28 ГГц будет являться прототипом управляемого ретранслятора сигналов в диапазона 5G FR2. В третьем блоке были изучены диэлектрические резонансные структуры и метаповерхности на их основе. Работы в данном блоке были направлены на изучение анапольных неизлучающих состояний, при которых наблюдается подавление излучения в дальнюю зону, и наоборот изучение эффектов сверх направленности, когда излучение в дальней зоне достигает максимального значения. Нами были предложены и изучены неизлучающие источники, поддерживающие электрическое и магнитное анапольные состояния. Практическая реализация неизлучающих источников была выполнена в виде керамического полого дискового резонатора с высоким значением диэлектрической проницаемости и малым тангенсом угла диэлектрических потерь, возбуждаемых электрическим или магнитным точечным диполем, помещенным внутри полого диска. Мы построили численные модели и получили результаты численного моделирования ближних и дальних полей источников. Изготовили прототип и провели экспериментальные исследования, которые полностью повторили предсказания численных расчетов. На основе данных неизлучающих источников мы собрали прототип системы беспроводной передачи энергии, в которой не было потерь на излучение. Благодаря этому, возросла эффективность передачи энергии. Измеренное значение эффективности составило 92%. Нами были также предложены и изучены различные геометрии диэлектрических частиц и метаповерхностей на их основе, позволяющих значительно увеличить направленность излучения. В частности, модель субволновой сверх направленной антенны для частотного диапазона 1-10 ГГц на основе керамических резонаторов с высоким значением диэлектрической проницаемости, построенная в ходе выполнения первого этапа работ, показала что можно получить направленность больше 13. Последний, четвертый, блок работ был нацелен на изучение управляемых и перестраиваемых метаповерхностей и резонаторов на их основе для применения в системах беспроводной передачи энергии. Была построена численная модель метаповерхности, представляющая собой 16 проводников, параллельно упорядоченных на печатной плате, нагруженных на емкостные элементы. Построенная модель учитывает проводимость проводников, диэлектрическую проницаемость и дисперсию диэлектрической подложки, потери в навесных элементах и позволяет проводить численное моделирование электродинамических характеристик метаповерхности в заданном частотном диапазоне. С ее помощью были получены результаты расчета коэффициента согласования метаповерхности в частотном диапазоне и получены карты распределения ближнего поля. Показано, что резонансы двух первых мод находятся на частотах 6,78 МГц и 13,56 МГц, соответственно. Картины ближних магнитных полей на данных частотах обладаю равномерным распределением в области над метаповерхностью. Был предложен метод перестройки частотного отклика метаповерхности с помощью изменения места запитки структуры. Полученные результаты подтверждают, что данная метаповерхность потенциально интересна для применения в качестве передающего резонатора для системы беспроводной передачи энергии формата “Умный стол” и развитие данной концепции будет продолжено на следующем этапе проекта. Результаты работ, полученные в ходе выполнения первого этапа проекта, были опубликованы в высокорейтинговых журнала, таких как Nature Electronics (https://doi.org/10.1038/s41928-021-00658-x), Nanophotonic (https://doi.org/10.1515/nanoph-2021-0378), Physical Review Letters (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.096804), Physical Review X (https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.031038), Physics Review Applied (https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.L021002). Устные доклады по результатам проекта были представлены на международных конференциях METANANO 2021, Metamaterials 2021, COMCAS 2021, ISMR 2021 и прочих. Была организована школа для молодых ученых “Физика и применения метаматериалов и метаповерхностей в микроволновом, миллиметровом и оптическом диапазонах”, которая проводилась в Университете ИТМО с 24 по 26 ноября 2021 (https://microwave.school.physics.itmo.ru/). В мероприятии приняло участие 57 участников, из них: 7 российских и 3 зарубежных ученых-лекторов, а также 47 слушателей - российских молодых ученых в возрасте до 35 лет включительно, аспирантов и студентов.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Научные работы, запланированные на второй этап проекта, были выполнены в полном объеме и были получены все заявленные результаты. Работы были сгруппировать по основным четырем блокам. Первый блок работ был посвящен исследованию нелинейных метаповерхностей для клинических магнитно-резонансных томографов (МРТ). В ходе работ была предложена геометрия управляемой метаповерхности на основе сетки из медных проводников, размещенных на диэлектрической подложке, между узлами которых установлены конденсаторы. Данная структура может работать в многомодовом режиме, т. е. на одной частоте можно возбудить два профиля распределения магнитного поля. Это позволяет использовать структуру как многоканальную приемную катушку для задач МРТ. По сравнению с классическими системами предложенная катушка на основе метаповерхности позволяет улучшить магнитное поле приема (B1-) на 33% в области интереса (для МРТ с напряженностью поля 3 Тл), что напрямую связано с улучшением качества получаемых МР изображений. Кроме того, достаточно простая геометрия структуры позволяет настроить ее для работы в аппаратах МРТ с напряженностью поля 1, 1.5 и 3 Тл. Также было численно продемонстрировано применение разработанных метаповерхностей с пассивным и активным детюнингом для повышения радиочастотной безопасности и возможности проведения самодиагностики PIN-диодов, входящих в геометрию метаповерхности. В ходе моделирования и экспериментов проведено картирование радиочастотного магнитного поля передачи и проведен расчет удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии. Результаты данных исследований подтвердили, что метаповерхность не приводит к существенным искажениям радиочастотного поля внутри клинического аппарата МРТ, а также является безопасной для пациента. Для обеспечения электропитанием разработанных метаповерхностей членами коллектива была внедрена система беспроводного питания внутри тоннеля аппарата МРТ с использованием энергии радиочастотного поля передачи стандартной передающей катушки, которая является частью большинства аппаратов с напряженностью магнитного поля 1–3 Тл. Разработанная система позволяет в два раза эффективнее (по сравнению с ранее известными системами с линейной поляризацией) преобразовывать энергию радиочастотного поля в постоянное напряжение и может использоваться для питания цепей активного детюнинга управляемых метаповерхностей. Второй блок работ был посвящен управляемым метаповерхностям СВЧ и миллиметрового диапазонов с управляющими элементами в виде диодов и сегнетоэлектрических конденсаторов. Были выполнены измерения коэффициентов отражения волноводной моды от изготовленных экспериментальных ячеек метаповерхностей в диапазонах 3.5-5 ГГц, 8-12 ГГц и 24-28 ГГц, а также извлечены характеристики управляющих элементов (двух типов сегнетоэлектрических конденсаторов, варакторных диодов MAVR-000120-14110G и SMV2019-040LF и pin-диода MADP-000907-14020). Были построены численные модели управляемых отражательных метаповерхностей на диапазон 10–12 ГГц и 24-28 ГГц с заложенными измеренными свойствами управляемых элементов и получены результаты расчетов их электродинамических характеристик (в частности коэффициентов отражения, диаграмм рассеяния). Был изготовлен прототип управляемой отражательной метаповерхности на основе сегнетоэлектриков на центральную частоту 26 ГГц. Была разработана и изготовленна электронная плата управления на базе микроконтроллера AT91SAM7S64, поддерживающего обмен по протоколу USB, а также на основе 32-х канальных 16-ти разрядных ЦАП AD5535. Были проведены измерения электродинамических характеристик (диаграммы рассеяния) разработанного прототипа метраповерхности совместно с управляющей платой. В третьем блоке были изучены диэлектрические резонансные структуры и метаповерхности на их основе. Работы в данном блоке были направлены на изучение гибридных анапольных состояний, при которых наблюдается подавление излучения в дальнюю зону, и наоборот изучение эффектов сверх направленности, когда излучение в дальней зоне достигает максимального значения. Нами были предложены и изучены диэлектрические структуры и метаповерхности, поддерживающие гибридные анапольные состояния. Мы построили численные модели и получили результаты численного моделирования ближних и дальних полей структур и метаповерхностей. Изготовили прототип и провели экспериментальные исследования, которые полностью повторили предсказания численных расчетов. Нами были также предложены и изучены различные геометрии диэлектрических частиц и метаповерхностей на их основе, позволяющих значительно увеличить направленность излучения. Четвертый блок работ был нацелен на изучение перестраиваемых метаповерхностей для применения в системах беспроводной передачи энергии. Были построены численные модели метаповерхностей и предложены методы оптимизации их характеристик для работы на частотах ISM полосы (в частности 6,78 МГц и 13,56 МГц) и стандарта Qi (в частности 200 кГц) . Было показано, что резонансы двух первых мод могут быть оптимизированы на частоты 6,78 МГц и 13,56 МГц, соответственно. Картины ближних магнитных полей на данных частотах обладаю равномерным распределением в области над метаповерхностью. Полученные результаты подтверждают, что данная метаповерхность потенциально интересна для применения в качестве передающего резонатора для системы беспроводной передачи энергии формата “Умный стол” и развитие данной концепции будет продолжено на следующем этапе проекта. По результатам работ, полученные в ходе выполнения второго этапа проекта, были опубликованы 13 публикаций, 6 из которых в журнала из списка Q1. Устные и приглашенные доклады по результатам проекта были представлены на международных конференциях. Была организована школа для молодых ученых “Школа по Магнитно-Резонансной Томографии”, которая проводилась в Университете ИТМО с 27.06.2022 по 02.07.2022 (https://mrischool.physics.itmo.ru/). В мероприятии приняло участие 104 участника, из них: 11 российских и 1 зарубежный ученых-лекторов, а также 92 слушателя - российских молодых ученых в возрасте до 35 лет включительно, аспирантов и студентов.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Первый блок работ посвящен разработке управляемых метаповерхностей для задач магнитно-резонансной томографии (МРТ). Так, в ходе исследований 2023 года коллективом проекта была предложена геометрия и разработана численная модель адаптивной метаповерхности (компактного “покрывала”) для перераспределения радиочастотного (РЧ) поля внутри аппарата МРТ с постоянным полем 3 Тл. Адаптивная метаповерхность решает задачу улучшения визуализации за счет устранения так называемого “артефакта стоячей волны”, который проявляется при визуализации брюшной полости в МРТ 3 Тл у пациентов с высоким индексом массы тела (ИМТ). Данный артефакт слабо заметен у пациентов с низким ИМТ и существенно проявляется у пациентов с высоким ИМТ, поэтому актуальной задачей является разработка устройства, способного изменять распределение РЧ поля в зависимости от комплекции пациента. При этом устройство должно быть пассивным и легко интегрироваться в стандартные приемные катушки, используемые в МРТ. Результаты проведенного численного исследования доказали работоспособность предложенной концепции устройства и ее безопасность для пациентов. Кроме того были продолжены работы, связанные с разработкой системы беспроводного питания и предложен принципиально новый подход, основанный на использовании мод высокого порядка резонатора типа «птичья клетка» для активного управления метаповерхностью. Стоит отметить, что подобный резонатор является неотъемлемой частью большинства клинических систем МРТ. Основными преимуществами предлагаемого решения является возможность подключать локальные катушки внутри тоннеля аппарат МРТ беспроводным способом, что позволит увеличить скорость укладки и комфорт пациента во время сканирования за счёт отсутствия РЧ кабелей питания, и отсутствия дополнительной передающей антенны, что снижает себестоимость системы БПЭ для устройств внутри аппарата МРТ и позволяет внедрить эту систему без значительной модификации оборудования стандартного кабинета МРТ. В ходе работы была разработана численная модель, состоящая из двух ортогонально расположенных петлевых антенн, используемых в качестве приёмников и резонатора типа «птичья клетка» – в качестве передатчика, модель которого основана на коммерческом резонаторе Siemens Avanto Body Coil. В ходе численного моделирования были найдены частоты для пяти мод этого резонатора, после чего были рассчитаны схемы согласования для резонатора и системы приёмных антенн на импеданс 50 Ом на частоте исследуемых мод. Была найдена эффективность беспроводной передачи энергии, которая достигает 51% на IV моде, и проведена оценка мощности, которую можно передавать без вреда для пациента (максимальная мощность составила 128 Вт при работе на III моде). В дополнении была предложена схема, обеспечивающая РЧ совместимость для локальных катушек. На основе численной модели был изготовлен прототип системы приемных антенн, а также схемы согласования для резонатора и системы антенн для каждой исследуемой моды. Экспериментальное исследование показало, что эффективности беспроводной передачи энергии достаточно для обеспечения электропитанием большинства локальных приемных катушек, а также для активного управления метаповерхностью. Второй блок работ был посвящен управляемым метаповерхностям СВЧ и миллиметрового диапазонов с управляющими элементами в виде пин (MADP-000907-14020) и варакторных диодов (SMV2019-040LF). Были построены численные модели бинарных управляемых метаповерхностей для работы на центральных частотах 5.2 ГГц и 25 ГГц с заложенными измеренными свойствами управляемых элементов и получены результаты расчетов их электродинамических характеристик (в частности коэффициентов отражения, диаграмм рассеяния). Были изготовлены экспериментальные прототипы отражательных метаповерхностей и проведены измерения их электродинамических характеристик. Третий блок работ были ориентирован на разработку уникальных метаповерхностей для построения высокоэффективных систем беспроводной передачи энергии. Была изготовлена и экспериментально исследована двухчастотная метаповрехность, работающая на двух частотах ISM диапазона, а именно 6.78 МГц и 13.56 МГц. Испытания показали, что на обеих частотах метаповерхность создает равномерный профиль поля, который можно использовать для одновременной беспроводной зарядки сразу трёх приемных устройств небольшой мощности (до 5 Вт) одновременно. Кроме того, были предложены уникальные конструкции метаповерхностей для создания систем беспроводной передачи энергии для средств индивидуальной мобильности (самокатов). Несколько вариантов метаповерхностей были применены для формирования равномерного поля на частоте 6.78 МГц. Приемные катушки, расположенные на расстоянии 10 см, что является клиренсом самоката, были использованы для приема энергии. Согласно испытаниям была достигнута RF-RF эффективность 70%.