FR2928780A1

FR2928780A1 - ARTIFICIALLY STRUCTURED DIELECTRIC MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME

Info

Publication number: FR2928780A1
Application number: FR9609778A
Authority: FR
Inventors: John Pendry; Anthony James Holden
Original assignee: GEC Marconi Ltd; Marconi Co Ltd
Current assignee: BAE Systems Electronics Ltd
Priority date: 1995-08-02
Filing date: 1996-08-02
Publication date: 2009-09-18
Also published as: GB9515803D0; GB2433842B; GB9615714D0; GB2433842A

Abstract

Un matériau diélectrique artificiellement structuré, et un procédé permettant de le réaliser, sont proposés, le matériau comprenant un réseau de canaux conducteurs, la distance moyenne (a) entre interconnexions et le rayon (r) des canaux étant choisis de façon que le matériau ait une constante diélectrique prédéterminée pour un rayonnement incident d'une fréquence ou d'une bande de fréquence spécifique.An artificially structured dielectric material, and a method for producing it, are provided, the material comprising an array of conductive channels, the average distance (a) between interconnections and the radius (r) of the channels being selected such that the material is a predetermined dielectric constant for incident radiation of a specific frequency or frequency band.

Description

1 La présente invention concerne un matériau diélectrique artificiellement structuré (qui est un matériau qui est au moins un diélectrique à certaines fréquences, mais pas nécessairement diélectrique pour le courant continu), ainsi qu'un procédé de fabrication de celuiùci, plus particulièrement, mais non exclusivement un semblable matériau ayant une constante diélectrique nulle ou négative dans certaines bandes de fréquence prédéterminées. Dans certaines applications, il serait avantageux que la constante diélectrique d'un matériau puisse être ajustée en vue d'une application particulière, au moins pour une gamme de fréquence spécifique. Ce matériau serait particu lièrement avantageux dans des applications telles que des radomes permettant que la constante diélectrique du matériau du radome soit appariée avec celle de l'air afin de maximiser la transmission. On connaît des matériaux naturels qui ont une constante diélectrique nulle ou négative pour le rayonnement de fréquences particulières, par exemple des métaux. La fréquence à laquelle la constante diélectrique d'un matériau est nulle est connue comme la fréquence d'oscillation de plasma Wp et, dans les métaux, ceci se produit dans la gamme optique, de sorte que des métaux sont de bons réflecteurs de la lumière. On peut obtenir une explication pour les propriétés ciùdessus en considérant la structure atomique d'un métal selon le modèle de Jellium. Selon ce modèle, le métal peut être considéré comme comprenant des ions positifs disposés dans une structure de réseau fixe et qu'on approcherait comme une "gelée" uniforme comme charge positive fixe, avec les "électrons libres" faiblement liés, ou électrons de valence, formant un gaz ou fluide électronique associé qui est libre de se déplacer. Dans un tel modèle, le gaz électronique aura de préférence un point de repos préféré par rapport au fond positif où la charge électrique nette est nulle. Un champ électrique appliqué provoquera un déplacement du nuage électronique dans une direction constante par rapport au fond positif, et jusqu'à ce qu'il soit arrêté par une force de rappel créée par le déséquilibre apparaissant dans la charge électrique nette en fonction de la position. Le système se comporte comme un oscillateur harmonique forcé et, lorsque la fréquence du champ appliqué augmente, un point est atteint auquel le champ change à la fréquence résonnante de l'oscillateur ("oscille"). A ce point, le gaz électronique oscillera simplement à la fréquence de résonance d'oscillation du gaz qui est la fréquence de plasma w1,. En général, une bande de noeuds de plasma existera avec des longueurs d'onde variables et une dispersion correspondante. Aux fréquences disposées notablement auùdessus de la fréquence de plasma, le gaz électronique ne peut pas répondre 2 suffisamment vite au champ et la contribution à la constante diélectrique se sature à une valeur associée avec la charge polarisable liée sur les ions. Il existe certaines applications où il serait souhaitable de réduire la fréquence de plasma à des fréquences infrarouges ou microùondes et en dessous. The present invention relates to an artificially structured dielectric material (which is a material which is at least one dielectric at certain frequencies, but not necessarily dielectric for direct current), as well as a manufacturing method thereof, more particularly, but not exclusively a similar material having a zero or negative dielectric constant in certain predetermined frequency bands. In some applications, it would be advantageous if the dielectric constant of a material could be adjusted for a particular application, at least for a specific frequency range. This material would be particularly advantageous in applications such as radomes allowing the dielectric constant of the radome material to be matched with that of the air to maximize transmission. Natural materials which have a zero or negative dielectric constant for the radiation of particular frequencies, for example metals, are known. The frequency at which the dielectric constant of a material is zero is known as the Wp plasma oscillation frequency and, in metals, this occurs in the optical range, so that metals are good reflectors of light . An explanation for the above properties can be obtained by considering the atomic structure of a metal according to the Jellium model. According to this model, the metal can be considered as comprising positive ions arranged in a fixed lattice structure and approaching as a uniform "jelly" as a fixed positive charge, with loosely connected "free electrons", or valence electrons forming a gas or associated electronic fluid that is free to move. In such a model, the electronic gas will preferably have a preferred resting point relative to the positive bottom where the net electric charge is zero. An applied electric field will cause the electronic cloud to move in a constant direction relative to the positive bottom, and until it is stopped by a restoring force created by the imbalance occurring in the net electric charge as a function of the position. . The system behaves like a forced harmonic oscillator and, as the frequency of the applied field increases, a point is reached at which the field changes to the resonant frequency of the oscillator ("oscillate"). At this point, the electronic gas will simply oscillate at the oscillation resonance frequency of the gas which is the plasma frequency w1 ,. In general, a band of plasma nodes will exist with varying wavelengths and a corresponding dispersion. At frequencies arranged substantially above the plasma frequency, the electron gas can not respond fast enough to the field and the contribution to the dielectric constant is saturated at a value associated with the ion-bound polarizable charge. There are certain applications where it would be desirable to reduce the plasma frequency to infra-red or micro-waves and below.

Ceci rendrait possible de produire des matériaux ayant une constante diélectrique voulue à une fréquence spécifique, lequel matériau pourrait former la base d'une structure absorbant les microùondes hautement efficace avec des applications telles que des matériaux absorbants pour le radar destinés à des installations de radar invisibles et générales. Une constante diélectrique agençable pourrait également être utilisée dans des matériaux pour radomes avec des caractéristiques de bonne adaptation avec l'air libre. Toutefois, la fréquence de plasma est donnée par : 2 ne 2 cnp eom où n est la densité d'électrons, e est la charge présente sur un électron, et m* est la masse effective de l'électron. Le paramètre cc) est la constante diélectrique de l'air libre, en unités internationales. La réduction de la fréquence de plasma par réduction de la densité d'électrons n peut être réalisée jusqu'à la bande infrarouge, mais des matériaux ayant une densité n basse et une mobilité suffisamment élevée ne sont pas disponible pour des fréquences inférieures. Selon un premier aspect de la présente invention, il est proposé un matériau diélectrique artificiellement structuré qui comprend un réseau interconnecté de canaux conducteurs (dans le contexte de cette description, ce terme couvre tous les types de trajets conducteurs sensiblement linéaires mais non nécessairement rectilignes, y compris des fils conducteurs et des fibres conductrices, le diamètre des canaux et la distance moyenne entre interconnexions étant choisis de façon que le matériau composite ait une fréquence de plasma vue par le rayonnement incident à une fréquence prédéterminée, ou à l'intérieur d'une bande prédéterminée de fréquence, si bien que le matériau possède une partie réelle de la constante diélectrique pour le rayonnement incident qui est inférieure ou égale à zéro pour un rayonnement incident qui est en dessous ou au niveau de la fréquence ou de la bande de fréquence du rayonnement incident. La présente invention exploite les propriétés électromagnétiques de canaux conducteurs. Lorsque des électrons sont contraints à des canaux étroits, il (1) est produit un grand effet inductif, qui ralentit les électrons dans leurs trajectoires. Ceci peut être interprété comme le fait que le potentiel vectoriel magnétique A ajoute un terme électromagnétique à la masse d'un électron dans un matériau massif m* (dans l'équation du mouvement). Ceci est une modification de la quantité de mouvement d'une particule P dans un champ magnétique, où : Pm*v_+cA/c=meffv (2) où e est la charge présente sur un électron, v est la vitesse de l'électron, et c est la 10 vitesse de la lumière. A partir de l'équation (2) ciùdessus, on peut voir que la quantité de mouvement apparente d'un électron augmente du fait de l'effet inductif et, par conséquent, l'électron se comporte comme s'il avait une masse effective meff plus élevée. En substituant meff qui est plus grand que m* du fait de l'inductance des 15 canaux conducteurs minces, à m* de l'équation (2), on réduit cop et, par conséquent, l'invention permet de fabriquer un matériau ayant une fréquence de plasma prédéterminée. Le rayon des canaux, r, et la distance moyenne entre interconnexions, a, peuvent être déterminés par considération du fait que tous les électrons sont confinés dans les canaux de sorte que, lorsqu'un courant quelconque 20 circule, un fort champ magnétique est établi autour des canaux, ce qui est donné par : I e H (R) ù ùniv -23rR= 2tR 25 où I est le courant passant dans le canal, R est la distance depuis le canal, n1 est le nombre d'électrons par unité de longueur de fil, et v est la vitesse électronique moyenne. Ce champ peut être exprimé par : H(R)=,uoù1 VxA(R) (4) où A (R) = PO 2 %v e ln (a/R) (5) (3) 30 où "a" est l'écartement moyen entre interconnexions ou bien, dans une structure en réseau, la constante de réseau. En mécanique classique, les électrons placés dans un champ magnétique ont une contribution supplémentaire à leur quantité de mouvement, qui est eA, et, par conséquent, la quantité de mouvement supplémentaire par unité de longueur du fil est : en1A(r)_'u 0e22 2 1 vin (air) = men-111v (6) itn 2 meff= °2 t ln(a/r) (7) En pratique, ceci est la contribution dominante sur les bandes de fréquence intéressantes et la masse réelle m de l'électron sera omise dorénavant. En substituant meff à m* dans l'équation 1, on obtient : 2ù nv e 2 2 rnv/nc 2 Jtc 2 P Eo meff Eouoln(a/r) = a lln(a/r) This would make it possible to produce materials having a desired dielectric constant at a specific frequency, which material could form the basis of a highly efficient micro-absorbing structure with applications such as radar absorbing materials for invisible radar installations. and general. An agenable dielectric constant could also be used in materials for radomes with characteristics of good adaptation with the free air. However, the plasma frequency is given by: 2 ne 2 cnp eom where n is the density of electrons, e is the charge on an electron, and m * is the effective mass of the electron. Parameter cc) is the dielectric constant of the free air, in international units. The reduction of the plasma frequency by reduction of the electron density n can be carried out up to the infrared band, but materials having a low density n and sufficiently high mobility are not available for lower frequencies. According to a first aspect of the present invention, there is provided an artificially structured dielectric material which comprises an interconnected network of conducting channels (in the context of this description, this term covers all types of substantially linear but not necessarily rectilinear conductive paths, including conductors and conductive fibers, the channel diameter and the average inter-connection distance being chosen so that the composite material has a plasma frequency as seen by incident radiation at a predetermined frequency, or within a predetermined frequency band, so that the material has a real part of the dielectric constant for the incident radiation which is less than or equal to zero for incident radiation which is below or at the frequency or frequency band of the incidental radiation The present invention exploits the electromagnetic operations of conducting channels. When electrons are constrained to narrow channels, it (1) produces a great inductive effect, which slows down the electrons in their trajectories. This can be interpreted as the fact that the magnetic vector potential A adds an electromagnetic term to the mass of an electron in a massive material m * (in the equation of motion). This is a change in the momentum of a particle P in a magnetic field, where: Pm * v_ + cA / c = meffv (2) where e is the charge on an electron, v is the velocity of the electron, and c is the speed of light. From equation (2) above, it can be seen that the apparent momentum of an electron increases because of the inductive effect and, consequently, the electron behaves as if it had an effective mass meff higher. Substituting meff, which is larger than m * because of the inductance of the thin conductive channels, at m * of equation (2), is reduced to cop, and therefore the invention makes it possible to manufacture a material having a predetermined plasma frequency. The radius of the channels, r, and the average distance between interconnections, a, can be determined by considering that all the electrons are confined in the channels so that, when any current flows, a strong magnetic field is established. around the channels, which is given by: Ie H (R) where νniv -23rR = 2tR 25 where I is the current flowing in the channel, R is the distance from the channel, n1 is the number of electrons per unit of wire length, and v is the average electronic speed. This field can be expressed by: H (R) =, where VxA (R) (4) where A (R) = PO 2% ve ln (a / R) (5) (3) where "a" is the mean spacing between interconnections or, in a network structure, the network constant. In conventional mechanics, the electrons placed in a magnetic field have an additional contribution to their momentum, which is eA, and therefore the extra momentum per unit length of the wire is: en1A (r) _ u 0e22 2 1 wine (air) = men-111v (6) itn 2 meff = ° 2 t ln (a / r) (7) In practice, this is the dominant contribution on the interesting frequency bands and the actual mass m of the electron will be omitted from now on. By substituting meff for m * in equation 1, we obtain: ## EQU1 ## where ## EQU1 ##

De préférence, on choisit a et r de façon que le coefficient de tassement du réseau soit inférieur à 10 %, "a" étant du même ordre, mais étant sensiblement 20 plus petit que la longueur choisie. Le paramètre r est un paramètre libre, mais, pour accorder la structure, il doit être sensiblement plus petit que a, afin d'assurer que le champ magnétique puisse pénétrer dans les fils individuels et les voir. Le paramètre r est également limité parce que la technique peut procurer, de sorte que a et r doivent s'équilibrer pour optimiser la structure. 25 Le réseau est de préférence une structure tridimensionnelle et est interconnecté, de façon que la structure ne se décompose pas en plans isolés de manière que le débit du courant électronique ne soit pas rompu. On peut augmenter la capacité de stockage d'énergie de la structure proposée (par unité de volume) en revêtant les fils à l'aide d'un matériau à haute 30 perméabilité magnétique (u). Ceci augmente l'énergie magnétique stockée et, de plus, confine le champ, ce qui permet une plus haute densité de fils. Les matériaux réels ayant un élevé ont également un E élevé, mais ceci n'est pas sérieux en pratique, car le champ magnétique sera limité au revêtement tandis que le champ 15 (8) électrique s'étalera dans tout l'espace. Toutefois, il peut y avoir des problèmes de conductivité aux interconnexions des canaux. Alors qu'il est possible d'appliquer le revêtement de façon à permettre que les canaux conducteurs soient connectés au-dessous de celui-ci, ceci peut être 5 un inconvénient. Toutefois, il est probable qu'un revêtement faiblement conducteur pourrait permettre un "court-circuit" effectif sur lui-même là où les canaux conducteurs se croisent, en même temps qu'un courant signifiant serait aussi transporté axialement. (Ceci est plus dure à réaliser aux fréquences élevées, où le courant tende à être limité à la surface.) Des fils en hélice autorisent une conduction capacitive axiale entre les spires et sont, dans une certaine mesure, auto-espacés. Ceci est une option de fabrication qui nécessite moins de connexions croisées. Selon un deuxième aspect de l'invention, il est proposé un procédé permettant de produire un matériau diélectrique artificiellement structuré, le procédé comprenant les opérations suivantes : déterminer une fréquence ou une bande de fréquence pour laquelle on souhaite que le matériau ait une constante diélectrique égale ou inférieure à zéro ; déterminer la fréquence de plasma ; et former un réseau de canaux interconnectés dans un milieu diélectrique, en sélectionnant le diamètre des canaux à la distance moyenne entre interconnexions de façon que le matériau composite ait la fréquence de plasma voulue, telle qu'elle est vue par le rayonnement incident à la fréquence prédéterminée ou dans la bande de fréquence déterminée et de sorte que le matériau ait une partie réelle de la constante diélectrique pour le rayonnement incident inférieure ou égale à zéro pour un rayonnement incident situé au-dessous ou au niveau de la fréquence de la bande de fréquence du rayonnement incident. Les exemple de matériaux structurés selon l'invention venant d'être décrit, à titre d'exemple seulement, en référence avec les dessins annexés, qui : la figure 1 est une illustration schématique d'une structure en réseau selon la présente invention ; les figures 2 à 6 illustrent divers procédés par lesquels une structure en réseau selon la présente invention peut être fabriquée ; et la figure 7 illustre la relation de dispersion pour des ondes de plasma de surface entre deux feuilles de métal. En référence avec la figure 1, il est illustré une structure en réseau cubique régulier comprenant un certain nombre de fibres en acier inoxydable conductrices 1, ayant chacune une grande longueur par comparaison avec la pério- 6 dicité a des fibres. La valeur de a détermine l'intervalle des longueurs d'onde de fonctionnement et, pour les applications aux micro-ondes, à la bande J, a vaut environ 3 mm. Typiquement, le diamètre de la fibre a doit être inférieur à 1/10 de l'écartement a, et, pour un fonctionnement à fréquence supérieure, il faut réduite la valeur de a. Aux fréquences infrarouges, une valeur appropriée pour r doit être petite, par exemple 1 nm, ce qui donne la limite naturelle de la capacité d'application de la technique. On choisit la période "a" du réseau de façon qu'elle soit appropriée à la gamme de fréquence choisie, et celle-ci est typiquement aux environs de la fréquence de plasma effective donnée par l'équation 8. Preferably, a and r are chosen such that the network settlement coefficient is less than 10%, "a" being of the same order, but being substantially smaller than the chosen length. The parameter r is a free parameter, but, to tune the structure, it must be substantially smaller than a, to ensure that the magnetic field can penetrate and see the individual wires. The parameter r is also limited because the technique can provide, so that a and r must balance to optimize the structure. The network is preferably a three-dimensional structure and is interconnected, so that the structure does not break down into isolated planes so that the flow of the electronic current is not broken. The energy storage capacity of the proposed structure (per unit volume) can be increased by coating the wires with a high magnetic permeability material (u). This increases the stored magnetic energy and, in addition, confines the field, allowing for higher wire density. The actual materials having a high also have a high E, but this is not serious in practice since the magnetic field will be limited to the coating while the electric field (8) will spread throughout the space. However, there may be conductivity issues at the interconnections of the channels. While it is possible to apply the coating so as to allow the conductive channels to be connected below it, this may be a disadvantage. However, it is likely that a poorly conductive coating could allow an effective "short-circuit" on itself where the conductive channels intersect, while a significant current would also be transported axially. (This is harder to achieve at high frequencies, where the current tends to be limited to the surface.) Helical wires allow axial capacitive conduction between turns and are, to some extent, self-spaced. This is a manufacturing option that requires fewer cross connections. According to a second aspect of the invention, there is provided a method for producing an artificially structured dielectric material, the method comprising the steps of: determining a frequency or frequency band for which the material is desired to have an equal dielectric constant or less than zero; determine the plasma frequency; and forming a network of interconnected channels in a dielectric medium, selecting the channel diameter at the average distance between interconnects so that the composite material has the desired plasma frequency, as seen by the incident radiation at the frequency predetermined or in the determined frequency band and so that the material has a real part of the dielectric constant for incident radiation less than or equal to zero for incident radiation below or at the frequency band frequency incident radiation. Examples of structured materials according to the invention will be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, which: Figure 1 is a schematic illustration of a network structure according to the present invention; Figures 2 to 6 illustrate various methods by which a network structure according to the present invention can be fabricated; and Figure 7 illustrates the dispersion relationship for surface plasma waves between two metal sheets. With reference to FIG. 1, there is illustrated a regular cubic lattice structure comprising a number of conductive stainless steel fibers 1 each having a large length compared to the periodicity of fibers. The value of a determines the operating wavelength range and, for microwave applications, the J band, a is about 3 mm. Typically, the diameter of the fiber a must be less than 1/10 of the distance a, and for operation at a higher frequency, the value of a must be reduced. At infrared frequencies, a suitable value for r must be small, for example 1 nm, which gives the natural limit of the application capacity of the technique. The period "a" of the array is chosen so that it is appropriate for the chosen frequency range, and this is typically around the effective plasma frequency given by equation 8.

En insérant les valeurs suivantes dans l'équation 8 à savoir, ,uo = 4n x 10-7,s=1,602x10-19,r=1,0x10-6, on obtient a=15mm,wp(calculé)=2,57 GHz, a=5mm, wp(calculé)=8,2 GHz, a=3mm, wp(calculé)=14,09 GHz. Inserting the following values into equation 8, ie, uo = 4n x 10-7, s = 1.602x10-19, r = 1.0x10-6, we obtain a = 15mm, wp (calculated) = 2, 57 GHz, a = 5mm, wp (calculated) = 8.2 GHz, a = 3mm, wp (calculated) = 14.09 GHz.

Ceci a été contrôlé par analyse numérique détaillée. En référence avec les figures 2 et 3, il est illustré un procédé par lequel une structure selon la présente invention peut être fabriquée. Le procédé comprend l'opération consistant à disposer les fibres conductrices 1 le long d'une fibre diélectrique 2 afin de former une fibre composite 3, un certain nombre de ces fibres composites 3 étant ensuite empilé comme représenté sur la figure 3 pour former un réseau cubique conducteur parfaitement tridimensionnel. D'autres procédés de formation d'une structure en réseau régulier sont envisagés, comme un tricotage ou un tissage tridimensionnel, ou un traitement du type velours modifié. Les fibres diélectriques 2 peuvent être des fibres de verre. Dans une démonstration pratique de matériaux, on a construit une structure en sandwich multicouche 4, comme représenté sur la figure 4, qui est constituée de fils d'un diamètre de 20 microns, fait à partir de cuivre plaqué or suivant des lignes droites présentant un écartement de 5 mm entre les lignes et séparées par une feuille de polymère de 3 mm vis-à- vis de la couche suivante de fils 7 disposée à angle droit par rapport à la première. On complète le sandwich par une succession d'autres fils séparés en feuilles à 3 mm qui sont disposés alternativement à angle droit. Ceci produit une cellule tridimensionnelle de dimension 5 mm x 5 mm x 6 mm. Ceci a été mesuré à l'aide d'ondes planes de micro-ondes sous incidence normale dans la bande de fréquence de 2 à 18 GHz, et s'est révélé montrer la fréquence de plasma prévue à 9 GHz, avec une valeur négative pour la 7 partie réelle de la constante diélectrique dans la bande de fréquence située auùdessous de cette fréquence de plasma. L'élargissement de cette réponse dépend de la résistivité des fils à la fréquence de mesure, que l'on a réduit par un revêtement d'or. This was controlled by detailed numerical analysis. With reference to Figures 2 and 3, there is illustrated a method by which a structure according to the present invention can be manufactured. The method comprises disposing the conductive fibers 1 along a dielectric fiber 2 to form a composite fiber 3, a number of these composite fibers 3 being then stacked as shown in FIG. 3 to form a network perfectly three-dimensional conductive cubic. Other methods of forming a regular network structure are contemplated, such as three-dimensional knitting or weaving, or modified velvet type processing. The dielectric fibers 2 may be glass fibers. In a practical demonstration of materials, a multilayer sandwich structure 4, as shown in FIG. 4, is constructed which consists of 20 micron diameter wires made from gold-plated copper in straight lines having a spacing of 5 mm between the lines and separated by a 3 mm polymer sheet vis-à-vis the next layer of son 7 disposed at right angles to the first. The sandwich is completed by a succession of other son separated sheets 3 mm which are arranged alternately at right angles. This produces a three-dimensional cell of size 5 mm x 5 mm x 6 mm. This was measured using microwave waves at normal incidence in the 2 to 18 GHz frequency band, and was found to show the expected plasma frequency at 9 GHz, with a negative value for the real part of the dielectric constant in the frequency band below this plasma frequency. The expansion of this response depends on the resistivity of the wires at the measurement frequency, which has been reduced by a gold coating.

Indépendamment de la technique de fabrication, il faut prendre soin de placer les fibres suivant les trois dimensions de manière à assurer un bon contact électrique entre les fibres conductrices 1 à l'endroit où elles se coupent. La structure ne doit pas être une structure en réseau régulier, mais elle pourrait aussi être un groupement de fibres conductrices s'interconnectant de manière aléatoire qui comprend des faisceaux de fibres disposés dans un matériau matriciel, par exemple un liquide diélectrique que l'on pourrait ensuite faire durcir pour produire un réseau pseudorégulier, la longueur des fibres conductrices et le coefficient de tassement étant sélectionnés de manière à produire un écartement moyen a, des connexions électriques apparaissant également à un intervalle pseudopériodique a, les fibres conductrices assurant la conduction dans les trois dimensions à peu près suivant la période donnée. Dans une structure en réseau régulier, une courbe modeste des fibres conductrices n'affecterait pas fortement les propriétés du matériau. Un autre groupement pseudoaléatoire possible peutùêtre obtenu par placement de courtes fibres conductrices, d'une longueur comprise entre 3 et 12 mm, en suspension dans un liquide diélectrique. De nouveau, le coefficient de tassement et la longueur des fibres doivent être tels qu'il est produit des trajets de conduction pseudopériodiques dans les trois dimensions, de bons contacts électriques étant établis entre les fibres avec une pseudopériode moyenne a. Regardless of the manufacturing technique, care must be taken to place the fibers along the three dimensions so as to ensure good electrical contact between the conductive fibers 1 at the point where they intersect. The structure should not be a regular networked structure, but it could also be a group of randomly interconnecting conductive fibers which comprises bundles of fibers arranged in a matrix material, for example a dielectric liquid which could be then curing to produce a pseudoregular network, the length of the conductive fibers and the coefficient of settlement being selected to produce a mean spacing a, electrical connections also occurring at a pseudoperiodic interval a, the conductive fibers providing conduction in the three dimensions roughly according to the given period. In a regular network structure, a modest curve of conductive fibers would not greatly affect the properties of the material. Another possible pseudo-random group can be obtained by placing short conductive fibers, between 3 and 12 mm long, in suspension in a dielectric liquid. Again, the packing coefficient and the fiber length should be such that pseudo-square conduction paths are produced in all three dimensions, good electrical contacts being established between the fibers with a mean pseudoperiod a.

Selon un autre procédé de production d'un matériau diélectrique artificiellement structuré, on fait en sorte d'encourager des polymères conducteurs ou des chaînes du type polymère ayant des diamètres appropriés à former un réseau pseudopériodique suivant trois dimensions, avec une bonne conductivité électrique et un bon contact électrique à l'emplacement des "modes". Ceci pourra être obtenu par un traitement biologique, chimique ou électrochimique, par exemple une version tridimensionnelle des pellicules de LangmuirùBlodgett. Une autre technique à l'aide de laquelle on pourrait fabriquer une structure selon la présente invention consisterait à utiliser un modelage par laser ou un traitement de gravure humide directe de substrats métalliques visant à produire une structure en nids d'abeilles appropriée qui pourrait alors former le réseau conducteur tridimensionnel voulu ayant les valeurs appropriées pour la périodicité 8 et le diamètre des canaux. Selon une possibilité, on pourrait fabriquer la structure en tissant une série de fibres conductrices suivant une structure tridimensionnelle, comme illustré sur la figure 5, comprenant un certain nombre d'hélices coupées droites qui sont interverrouillées de manière à maintenir les fibres sous tension et à produire des connexions à chaque sommet. Cette structure pourrait être autoùporteuse, les fils étant préétamés et étant ultérieurement cuits au four de manière à fixer la structure et à assurer un bon contact électrique. Une structure selon la présente invention pourra également être formée à partir d'un certain nombre de polyèdres comprenant chacun des canaux conducteurs au niveau de leurs bords, le côté étant soit ouvert, soit fabriqué à partir d'une feuille diélectrique dont la fibre conductrice est formée à partir d'un matériau conducteur sur le bord des feuilles, un tétraèdre étant illustré sur la figure 6. On agence ensuite ensemble un certain nombre de ces éléments soit suivant une pile ordonnée, soit selon un amoncellement quelconque. Another method for producing an artificially structured dielectric material is to promote conductive polymers or polymer-type chains having diameters suitable for forming a three-dimensional pseudoperiodic network with good electrical conductivity and good electrical contact at the location of the "modes". This can be achieved by a biological, chemical or electrochemical treatment, for example a three-dimensional version of the LangmuirùBlodgett films. Another technique by which a structure according to the present invention could be made would be to use laser modeling or direct wet etching of metal substrates to produce a suitable honeycomb structure which could then form the desired three-dimensional conductive network having the appropriate values for the periodicity 8 and the diameter of the channels. According to one possibility, the structure could be made by weaving a series of conductive fibers in a three-dimensional structure, as illustrated in FIG. 5, comprising a number of straight cut propellers which are interlocked so as to keep the fibers under tension and produce connections at each vertex. This structure could be self-carrier, the son being pre-tinned and subsequently baked to fix the structure and ensure good electrical contact. A structure according to the present invention may also be formed from a number of polyhedra each comprising conducting channels at their edges, the side being either open or made from a dielectric sheet whose conductive fiber is formed from a conductive material on the edge of the sheets, a tetrahedron being illustrated in Figure 6. It then arranges a number of these elements either in an ordered stack or in any pile.

On pourrait cuire au four des mousses à cellules ouvertes ou seule des intersections des bulles subsistent, pour donner un réseau en carbone, ou même en métal, ayant les caractéristiques voulues. Les canaux pourraient être fait d'un coeur rigide non conducteur, ayant un revêtement mince très conducteur. Aux fréquences élevées, où le courant est limité à la surface du fil, ceci pourrait donner une structure plus légère et plus résistante que la version à fils pleins, avec toutefois des propriétés électriques identiques. Il a été décrit ciùdessus quelques procédés au moyen desquels on pourrait fabriquer une structure selon l'invention, mais on imaginera que toute technique de fabrication appropriée pourrait être utilisée pour reproduire une semblable structure. Un matériau artificiellement structuré selon l'invention possède un certain nombre d'applications. Les modes de surface de matériaux selon l'invention, ainsi que d'autres modes que l'on créera facilement en structurant encore la géométrie d'un matériau selon l'invention, possèdent une très haute densité d'états et ont souvent une nature résonnante. Il est donc envisagé qu'il soit possible de produire des intensités locales élevées de microùondes pour des puissances d'entrée modestes, ce qui donne un moyen de produire des microùondes dans de très petits volumes sans qu'il soit nécessaire de faire appel à une cavité résonnante classique. Avec la constante diélectrique négative, la possibilité existe que des modes de surface satisfont l'équation Eeff + 1 = O. Ces modes pourraient être couplés à un rayonnement électromagnétique externe rendant possibles des applications d'émetteurs ou de détecteurs sur une large bande de fréquence. Les modes de surface du matériau offrent également la possibilité de plusieurs guides d'ondes nouveaux, les modes présents sur deux surfaces se trouvant en proximité étroite interagissant afin de donner un mode symétrique et antisymétrique avec dispersion. Ceci est illustré sur la figure 7, qui montre la relation de dispersion pour des ondes de plasma de surface entre deux feuilles de métal. Le mode antiùsymétrique tend vers zéro pour q petit, et le mode symétrique tend vers la fréquence de plasma dans la masse. Au contraire d'un guide d'ondes classique, la vitesse de groupe d'un matériau selon l'invention est commandée par la fréquence de plasma et peut être très inférieure à la vitesse de la lumière. Dans les guides d'ondes constitués de deux plaques parallèles de matériau selon l'invention, la vitesse de groupe peut être inférieure à la vitesse de la lumière, ce qui offre la possibilité de réaliser de nouveaux filtres d'ondes millimétriques. Open-cell foams could be baked, or only bubbles interspersed to form a carbon or even metal network with the desired characteristics. The channels could be made of a rigid non-conductive core, having a thin, highly conductive coating. At high frequencies, where the current is limited to the wire surface, this could give a lighter and stronger structure than the solid wire version, but with identical electrical properties. It has been described above some methods by which a structure according to the invention could be made, but it will be imagined that any suitable manufacturing technique could be used to reproduce a similar structure. An artificially structured material according to the invention has a number of applications. The surface modes of materials according to the invention, as well as other modes that will be easily created by further structuring the geometry of a material according to the invention, have a very high density of states and often have a nature. resonant. It is therefore envisaged that it is possible to produce high local intensities of microwaves for modest input power, which provides a means of producing microwaves in very small volumes without the need for classic resonant cavity. With the negative dielectric constant, the possibility exists that surface modes satisfy the equation Eeff + 1 = 0. These modes could be coupled to external electromagnetic radiation making possible applications of transmitters or detectors over a wide frequency band . The surface modes of the material also offer the possibility of several new waveguides, the modes present on two surfaces being in close proximity interacting to give a symmetrical and antisymmetric mode with dispersion. This is illustrated in Figure 7, which shows the dispersion relationship for surface plasma waves between two sheets of metal. The anti-symmetric mode tends to zero for small q, and the symmetrical mode tends toward the plasma frequency in the mass. In contrast to a conventional waveguide, the group speed of a material according to the invention is controlled by the plasma frequency and can be much lower than the speed of light. In waveguides consisting of two parallel plates of material according to the invention, the group velocity may be less than the speed of light, which offers the possibility of making new millimeter wave filters.

Une autre application possible du matériau concerne les dispositifs de lévitation. Ceci a lieu du fait que la fréquence de plasma Re (Eeff) = 0 offre de nouvelles conditions limites. Un matériau infiniment conducteur (ou un bon métal) impose que le champ électrique soit situé (presque) perpendiculairement à la surface. Un matériau obéissant à l'équation ciùdessus impose que le champ électrique (pour wp) se trouve parallèlement à la surface de la même manière qu'un supraconducteur (u = 0) impose que les champs magnétiques soient parallèles (pour le courant continu). A la fréquence de plasma, le matériau repousse plutôt qu'il n'attire les lignes de force électriques et, par conséquent, il est repoussé par les champs électriques intenses et peut donc trouver commodément des applications dans des dispositifs de lévitation. Il est probable que l'application potentielle la plus importante de ce nouveau matériau naisse de la capacité à réaliser un matériau à constante diélectrique faible ou nulle pour des bandes de fréquence particulières en équilibrant le matériau diélectrique de l'environnement du fond à l'aide de la matrice à constante diélectrique négative, ce qui permet d'obtenir la constante diélectrique voulue. Ceci peut être utilisé pour produire le matériau de radome "parfait" ayant E = 1, c'estùàùdire adapté à l'air de façon à adapter les ondes électromagnétiques allant à et venant d'antennes d'émission/réception. Le matériau offre également un substrat à constante diélectrique faible pour des dispositifs et circuits microùondes de manière à réduire la capacité tout en offrant d'autres propriétés comme une conductivité thermique élevée, ainsi qu'une taille réduite -10 (couplage intra-circuit réduit). Le matériau pourrait également être utilisé pour réaliser une phase RF uniforme sur un grand circuit. Une autre application d'un matériau selon la présente invention est celle de matériau absorbant les micro-ondes. Les colloïdes métalliques sont connus pour être, aux fréquences optiques, des éléments absorbants extrêmement efficaces du rayonnement optique, ce que l'on appelle les noirs-or étant un exemple. On estime que ces colloïdes réalisent cette absorption du fait de la création d'une structure de bande interdite photonique formée à partir des états fortement résonnants basés autour de la fréquence de plasma de surface des sphères métalliques constituantes. En formant des structures de type colloïdes analogues à partir du matériau selon l'invention, on peut réaliser une forte absorption dans les bandes de fréquence choisies. Le diamètre des particules devrait être sur une échelle grande par comparaison avec l'écartement "a" du réseau de fibres conductrices, mais petite par comparaison à la longueur d'onde du rayonnement électro- magnétique entrant. Another possible application of the material concerns levitation devices. This is because the plasma frequency Re (Eeff) = 0 offers new boundary conditions. An infinitely conductive material (or a good metal) requires that the electric field be located (almost) perpendicular to the surface. A material obeying the equation above imposes that the electric field (for wp) is parallel to the surface in the same way that a superconductor (u = 0) requires the magnetic fields to be parallel (for direct current). At the plasma frequency, the material repels rather than attracts electrical lines of force and, therefore, is repelled by the intense electric fields and can therefore conveniently find applications in levitation devices. It is likely that the most important potential application of this new material is the ability to achieve a low or zero dielectric constant material for particular frequency bands by balancing the dielectric material of the bottom environment using of the negative dielectric constant matrix, which makes it possible to obtain the desired dielectric constant. This can be used to produce the "perfect" radome material having E = 1, that is, adapted to air so as to match electromagnetic waves to and from transmit / receive antennas. The material also provides a low dielectric constant substrate for micro-wave devices and circuits so as to reduce capacitance while providing other properties such as high thermal conductivity as well as reduced size -10 (reduced intra-circuit coupling) . The material could also be used to achieve a uniform RF phase on a large circuit. Another application of a material according to the present invention is that of microwave absorbing material. Metal colloids are known to be, at optical frequencies, extremely effective absorbers of optical radiation, so-called black-gold being an example. It is believed that these colloids achieve this absorption due to the creation of a photonic band gap structure formed from highly resonant states based around the surface plasma frequency of the constituent metal spheres. By forming similar colloid-like structures from the material according to the invention, high absorption can be achieved in the selected frequency bands. The diameter of the particles should be on a large scale compared to the spacing "a" of the conductive fiber network, but small compared to the wavelength of the incoming electromagnetic radiation.

Claims

An artificially structured dielectric composite material, characterized in that it comprises an interconnected network of conducting channels (1), the diameter (r) of the channels and the mean distance (a) between interconnections being chosen so that the composite material has a plasma frequency, as seen by the incident radiation for a predetermined frequency, or in a predetermined frequency band, so that the material has a real part of the dielectric constant of the incident radiation which is less than or equal to 0 for incident radiation below or at the frequency or incident radiation frequency band.

2. Material according to claim 1, characterized in that the interconnected network is immersed in a matrix material.

3. Material according to claim 2, characterized in that the settlement coefficient of the network is less than 10% of the matrix material.

4. Method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the frequency or specific frequency band is below the optical frequency band.

5. Material according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the fibers are metallic.

6. Material according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the fibers are superconducting.

7. Material according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the interconnected network is arranged in the form of a regular network structure.

8. Material according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the conductive channels have a surface coating of a material having a high magnetic permeability relative to the material of the channel.

9. A method for producing an artificially structured dielectric composite material, the method being characterized in that it comprises the following operations: determining a frequency or a frequency band for which it is desired that the material has a dielectric constant equal to or less than zero; determine the plasma frequency; and forming a network of interconnected channels in a dielectric medium, selecting the channel diameter of the average distance between interconnects so that the composite material has the desired plasma frequency as seen by the incident radiation at the determined frequency or within the band of the determined frequency, and so that the material has a real part of the dielectric constant for the incident radiation which is less than or equal to zero for the incident radiation below or at the level of the frequency or frequency band of incident radiation.

10. The method of claim 9, characterized in that it comprises the operation of immersing the conductive channels in a matrix material.

11. Method according to any one of claims 9 and 10, characterized in that it comprises the operation of arranging the channels following a regular network structure.

12. Method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that it comprises the operation of placing the conductive channels on non-conductive rods of material and arranging the rods so that the channels form a network. interconnected.

13. Method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that it comprises the operation of forming a random network of channels.

14. Method according to any one of claims 9 and 10, characterized in that it comprises the operation of weaving the channels according to a dimensional structure.

15. Method according to any one of claims 9 and 10, characterized in that it comprises the operation of knitting channels in a three-dimensional structure.

16. A method according to any one of claims 9 to 14, characterized in that it comprises the operation of encapsulating the channels in a matrix material.

17. A method according to any one of claims 9 and 10, characterized in that it comprises the step of disposing the conductive channels suspended in a dielectric liquid and then allowing the liquid to harden.

18. The method of claim 17, characterized in that the channels have a length of between 3 mm and 12 mm. A method according to any one of claims 9 and 10, characterized in that it comprises the operation of form the network structure using thin film techniques. 20. A method according to any one of claims 9 and 10, characterized in that it comprises the step of forming the array structure from a plurality of polyhedra having conductive edges.