مادة ثنائية الخواص

في الفيزياء والهندسة وعلوم المواد ، تُعرَّف المادة ثنائية التناظر بأنها وسط متجانس الخواص، حيث ترتبط كثافتا التدفق الكهربائي والمغناطيسي خطيًا بكلٍّ من المجالين الكهربائي والمغناطيسي عبر علاقات تكوينية قياسية ، بما في ذلك حدود الاقتران المغناطيسي الكهربائي. وتُعدّ مجموعة فرعية رئيسية من هذه المواد، تُعرف باسم أوساط باستور، نشطة بصريًا : إذ يمكنها تدوير استقطاب الضوء إما بالانكسار أو النفاذ . ولا يعني هذا أن جميع المواد ذات تأثير الالتواء تندرج ضمن فئة المواد ثنائية التناظر. وينتج تأثير الالتواء في هذه الفئة من المواد عن الكيرالية و/أو عدم التبادلية في بنية الوسط، حيث يتفاعل المجالان الكهربائي والمغناطيسي للموجة الكهرومغناطيسية (أو ببساطة، الضوء) بطريقة غير اعتيادية.

يُعرف النظير الصوتي للتباين الثنائي باسم اقتران ويليس. ^{[ 2 ]}

بالنسبة لمعظم المواد، المجال الكهربائي${\displaystyle E}$ومجال الإزاحة الكهربائية${\displaystyle D}$(بالإضافة إلى المجال المغناطيسي)${\displaystyle B}$والمجال المغناطيسي الاستقرائي${\displaystyle H}$تكون المجالات متوازية فيما بينها. تُسمى هذه الأوساط البسيطة متجانسة الخواص ، ويمكن التعبير عن العلاقات بين المجالات باستخدام ثوابت. أما بالنسبة للمواد الأكثر تعقيدًا، مثل البلورات والعديد من المواد الفائقة، فلا تكون هذه المجالات متوازية بالضرورة. عندما تكون مجموعة من المجالات متوازية، ومجموعة أخرى غير متوازية، تُسمى المادة غير متجانسة الخواص . تتميز البلورات عادةً بـ${\displaystyle D}$الحقول غير المتوافقة مع${\displaystyle E}$الحقول، بينما${\displaystyle B}$و${\displaystyle H}$تبقى المجالات مرتبطة ببعضها البعض بواسطة ثابت. وتسمى المواد التي لا يكون فيها أي زوج من المجالات متوازياً بالمواد غير المتجانسة.

في الأوساط ثنائية التناظر، يكون المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي متزاوجين. العلاقات التكوينية هي

${\displaystyle D=\varepsilon E+\xi H\,}$

${\displaystyle B=\mu H+\zeta E\,}$

${\displaystyle D}$،${\displaystyle E}$،${\displaystyle B}$،${\displaystyle H}$،${\displaystyle \varepsilon }$و${\displaystyle \mu }$تتوافق مع الخصائص الكهرومغناطيسية المعتادة. ${\displaystyle \xi }$و${\displaystyle \zeta }$هي ثوابت الاقتران، وهي الثابت الجوهري لكل وسط.

ويمكن تعميم ذلك على الحالة التي${\displaystyle \varepsilon }$،${\displaystyle \mu }$،${\displaystyle \xi }$و${\displaystyle \zeta }$هي موترات (أي أنها تعتمد على الاتجاه داخل المادة)، وفي هذه الحالة يُشار إلى الوسط بأنه ثنائي الخواص . ^{[ 3 ]}

يمكن ربط ξ و ζ بشكل أكبر بمعامل تيليجين (المشار إليه بالتبادلية) χ ومعامل الكيرالية κ

${\displaystyle \chi -i\kappa ={\frac {\xi }{\sqrt {\varepsilon \mu }}}}$

${\displaystyle \chi +i\kappa ={\frac {\zeta }{\sqrt {\varepsilon \mu }}}}$

بعد استبدال المعادلات المذكورة أعلاه في العلاقات التكوينية، نحصل على

${\displaystyle D=\varepsilon E+(\chi -i\kappa ){\sqrt {\varepsilon \mu }}H}$

${\displaystyle B=\mu H+(\chi +i\kappa ){\sqrt {\varepsilon \mu }}E}$

يمكن وصف اعتماد معامل الكيرالية على التردد بواسطة نموذج كوندون . ^{[ 4 ]}

يمكن تحضير وسط باستور بمزج حلزونات معدنية أحادية الاتجاه مع الراتنج. يجب توخي الحذر لضمان التماثل: يجب أن تكون الحلزونات موجهة عشوائيًا بحيث لا يكون هناك اتجاه محدد. ^{[ 5 ] [ 4 ]}

يمكن فهم التأثير الكهرومغناطيسي من خلال دراسة تأثير المجال الكهرومغناطيسي على شكل حلزون. يمكن اعتبار هندسة الحلزون بمثابة محث . في هذا النوع من البنية، يُحفز المكون المغناطيسي للموجة الكهرومغناطيسية تيارًا كهربائيًا في السلك، مما يؤثر بدوره على المكون الكهربائي للموجة نفسها.

انطلاقاً من العلاقات التكوينية، بالنسبة لوسط باستور، χ = 0،

${\displaystyle D=\varepsilon E-i\kappa {\sqrt {\varepsilon \mu }}H.}$

وبالتالي، يتأخر المجال D بمقدار طور i بسبب الاستجابة من المجال H.

تُعدّ وسائط تيلجين نقيضًا لوسائط باستور الكهرومغناطيسية: إذ يُؤدي المكون الكهربائي إلى تغيير المكون المغناطيسي. ولا يُمكن فهم هذه الوسائط ببساطة مفهوم اليدوية. وتنتمي ثنائيات الأقطاب الكهربائية المرتبطة بالمغناطيس إلى هذا النوع من الوسائط. فعندما تصطف ثنائيات الأقطاب مع المكون الكهربائي للموجة الكهرومغناطيسية، تستجيب المغناطيسات أيضًا لارتباطها ببعضها. وبالتالي، يُؤدي تغيير اتجاه المغناطيسات إلى تغيير المكون المغناطيسي للموجة الكهرومغناطيسية، وهكذا دواليك.

من العلاقات التكوينية، بالنسبة لوسط تيلجين، κ = 0،

${\displaystyle B=\mu H+\chi {\sqrt {\varepsilon \mu }}E}$

وهذا يعني أن المجال المغناطيسي B يستجيب في نفس الطور مع المجال المغناطيسي H.

• التباين
• الكيرالية (الكهرومغناطيسية)
• المواد الفائقة
• التبادلية (الكهرومغناطيسية)
• معادلات ماكسويل# العلاقات التكوينية