Fotonisk metamateriale - Photonic metamaterial

Artikler om
Elektromagnetisme
Solenoid
Elektrostatikk
Magnetostatika
Elektrodynamikk
Elektrisk nettverk
Kovariant formulering
Forskere

Et fotonisk metamateriale ( PM ), også kjent som et optisk metamateriale , er en type elektromagnetisk metamateriale som samhandler med lys, som dekker terahertz ( THz ), infrarød (IR) eller synlige bølgelengder . Materialene benytter en periodisk , cellulær struktur.

Den Subwavelength periodisitet skiller fotoniske metamaterials fra fotoniske båndgap eller fotoniske krystallstrukturer. De celler som er på en skala som er størrelser større enn den atom, men mye mindre enn den utstrålte bølgelengde, er i størrelsesorden nanometer .

I et konvensjonelt materiale bestemmes responsen på elektriske og magnetiske felt, og dermed på lys , av atomer . I metamaterialer tar celler rollen som atomer i et materiale som er homogent i skalaer som er større enn cellene, og gir en effektiv mediummodell .

Noen fotoniske metamaterialer viser magnetisme ved høye frekvenser, noe som resulterer i sterk magnetisk kobling. Dette kan produsere en negativ brytningsindeks i det optiske området.

Potensielle applikasjoner inkluderer tilsløring og transformasjonsoptikk .

Fotoniske krystaller skiller seg fra PM ved at størrelsen og periodisiteten til deres spredningselementer er større, i størrelsesorden bølgelengde. Dessuten er en fotonisk krystall ikke homogen , så det er ikke mulig å definere verdier av ε ( permittivitet ) eller u ( permeabilitet ).

Historie

Hovedartikkel: Historie av metamaterialer

Mens han undersøkte om materie interagerer med den magnetiske komponenten av lys eller ikke , så Victor Veselago (1967) muligheten for refraksjon med et negativt tegn, ifølge Maxwells ligninger . En brytningsindeks med negativt tegn er resultatet av permittivitet, ε <0 (mindre enn null) og magnetisk permeabilitet, μ <0 (mindre enn null). Veselagos analyse er sitert i over 1500 fagfellevurderte artikler og mange bøker.

En sammenligning av brytning i et venstrehendt metamateriale med det i et normalt materiale

På midten av 1990-tallet ble metamaterialer først sett på som potensielle teknologier for applikasjoner som bildebehandling og tilsløring av nanometer . Fra og med 2015 var metamaterialantenner kommersielt tilgjengelige.

Negativ permeabilitet ble oppnådd med en split-ring resonator (SRR) som en del av subbølgelengdecellen. SRR oppnådde negativ permeabilitet innenfor et smalt frekvensområde. Dette ble kombinert med et symmetrisk posisjonert elektrisk ledende innlegg, som skapte det første metamaterialet med negativ indeks, som opererte i mikrobølgebåndet. Eksperimenter og simuleringer demonstrerte tilstedeværelsen av et venstrehendt forplantningsbånd, et venstrehendt materiale. Den første eksperimentelle bekreftelsen av negativ brytningsindeks skjedde kort tid etter, også ved mikrobølgefrekvenser.

Negativ permeabilitet og negativ permittivitet

Foto av metamateriale gitter brukt til å demonstrere negativ brytning . Matrisen med firkantede splittringsresonatorer gir materialet en negativ magnetisk permeabilitet, mens matrisen med rette ledninger gir det en negativ permittivitet

Naturlige materialer , for eksempel edle metaller , kan oppnå ε <0 opp til de synlige frekvensene . Imidlertid, ved terahertz , infrarøde og synlige frekvenser, har naturlige materialer en veldig svak magnetisk koblingskomponent, eller permeabilitet. Med andre ord kan følsomhet for den magnetiske komponenten i utstrålet lys betraktes som ubetydelig.

Negative indeksmetamaterialer oppfører seg i strid med den konvensjonelle "høyrehendte" interaksjonen av lys som finnes i konvensjonelle optiske materialer. Derfor kalles disse blant annet venstrehåndede materialer eller negative indeksmaterialer (NIM), blant andre nomenklaturer.

Bare produserte NIM-er viser denne muligheten. Fotoniske krystaller, som mange andre kjente systemer, kan utvise uvanlig forplantningsadferd som reversering av fase- og gruppehastigheter . Imidlertid forekommer negativ brytning ikke i disse systemene.

Naturlig forekommende ferromagnetiske og antiferromagnetiske materialer kan oppnå magnetisk resonans, men med betydelige tap. I naturlige materialer som naturlige magneter og ferritter , oppstår ikke resonans for elektrisk (koblings) respons og magnetisk (koblings) respons med samme frekvens.

Optisk frekvens

Fotoniske metamateriale SRR har nådd skalaer under 100 nanometer ved bruk av elektronstråle og nanolitografi . En SRR-celle i nanoskala har tre små metallstenger som er fysisk tilkoblet. Dette er konfigurert som en U-form og fungerer som en nano-induktor . Gapet mellom tuppen av U-formen fungerer som en nanokondensator . Derfor er det en optisk nano-LC-resonator . Disse "inneslutningene" skaper lokale elektriske og magnetiske felt når de blir begeistret eksternt. Disse inneslutningene er vanligvis ti ganger mindre enn vakuumbølgelengden til lyset c 0 ved resonansfrekvensen. Inneslutningene kan deretter evalueres ved hjelp av en effektiv medium tilnærming.

PM-er viser en magnetisk respons med nyttig størrelse ved optiske frekvenser. Dette inkluderer negativ permeabilitet, til tross for fravær av magnetiske materialer. Analogt med vanlig optisk materiale kan PM behandles som et effektivt medium som er preget av effektive mediumparametere ε (ω) og μ (ω), eller tilsvarende, ε eff og μ eff .

Den negative brytningsindeksen for PM i det optiske frekvensområdet ble eksperimentelt demonstrert i 2005 av Shalaev et al. (ved telekombølgelengden λ = 1,5 mikrometer) og av Brueck et al. (ved λ = 2 mikrometer) på nesten samme tid.

Effektiv mediummodell

En effektiv (overførings) medium tilnærming beskriver materialplater som, når de reagerer på en ekstern eksitasjon , er "effektivt" homogene, med tilsvarende "effektive" parametere som inkluderer "effektive" ε og µ og gjelder platen som helhet. Individuelle inneslutninger eller celler kan ha andre verdier enn platen. Imidlertid er det tilfeller der den effektive tilnærmingen til medium ikke holder, og man må være klar over anvendeligheten.

Koblingsmagnetisme

Negativ magnetisk permeabilitet ble opprinnelig oppnådd i et venstrehendt medium ved mikrobølgefrekvenser ved å bruke matriser av split-ring resonatorer. I de fleste naturlige materialer begynner den magnetisk koblede responsen å avta ved frekvenser i gigahertz- området, noe som innebærer at signifikant magnetisme ikke forekommer ved optiske frekvenser. Den effektive permeabiliteten til slike materialer er enhet, μ eff = 1. Derfor har den magnetiske komponenten i et utstrålet elektromagnetisk felt praktisk talt ingen effekt på naturlig forekommende materialer ved optiske frekvenser.

I metamaterialer fungerer cellen som et meta-atom, en større skala magnetisk dipol , analog med det pikometer-store atomet. For meta-atomer konstruert av gull kan μ <0 oppnås ved telekommunikasjonsfrekvenser, men ikke ved synlige frekvenser. Den synlige frekvensen har vært unnvikende fordi plasmafrekvensen til metaller er den ultimate begrensende tilstanden.

Design og fabrikasjon

Optiske bølgelengder er mye kortere enn mikrobølger, noe som gjør det vanskeligere å realisere optiske metamaterialer av subwavelength. Mikrobølgemetamaterialer kan fremstilles av kretskortmaterialer , mens litografiteknikker må brukes for å produsere PM.

Vellykkede eksperimenter brukte et periodisk arrangement av korte ledninger eller metallstykker med varierte former. I en annen studie ble hele platen koblet til elektrisk.

Fabrikasjonsteknikker inkluderer elektronstrålelitografi , nanostrukturering med en fokusert ionstråle og interferenslitografi .

I 2014 ble det vist at en polarisasjonsfølsom metamateriell prototype absorberte energi over et bredt bånd (en superoktave ) av infrarøde bølgelengder. Materialet viste mer enn 98% målt gjennomsnittlig absorptivitet som det opprettholdt over et bredt synsfelt på ± 45 ° for midtinfrarøde bølgelengder mellom 1,77 og 4,81 μm. Én bruk er å skjule gjenstander fra infrarøde sensorer. Palladium ga større båndbredde enn sølv eller gull. En genetisk algoritme endret tilfeldig et innledende kandidatmønster, og testet og eliminert alt annet enn det beste. Prosessen ble gjentatt over flere generasjoner til designen ble effektiv.

Metamaterialet er laget av fire lag på et silisiumunderlag. Det første laget er palladium, dekket av polyimid (plast) og en palladiumskjerm på toppen. Skjermen har underbølgelengdeutskjæringer som blokkerer de forskjellige bølgelengdene. Et polyimidlag dekker hele absorberen. Den kan absorbere 90 prosent av infrarød stråling i opptil 55 graders vinkel mot skjermen. Lagene trenger ikke nøyaktig justering. Polyimidhetten beskytter skjermen og hjelper til med å redusere enhver impedansforskjell som kan oppstå når bølgen krysser fra luften til enheten.

Undersøkelser

Enveis overføring

I 2015 ble synlig lys koblet til mikrobølgeovn og infrarøde NIM-er i bare formeringslys i en retning. (" speil " reduserer i stedet lystransmisjon i motsatt retning, og krever lave lysnivåer bak speilet for å fungere.)

Materialet kombinerte to optiske nanostrukturer: en flerlagsblokk med vekslende sølv- og glassplater og metallrist. Sølvglassstrukturen er et "hyperbolsk" metamateriale som behandler lys forskjellig avhengig av hvilken retning bølgene beveger seg. Hvert lag er titalls nanometer tykt — mye tynnere enn det synlige lysets bølgelengder på 400 til 700 nm, noe som gjør blokken ugjennomsiktig for synlig lys, selv om lys som kommer inn i visse vinkler kan forplante seg inne i materialet.

Tilsette krom rister med sub-bølgelengde-avstander bøyd inngående rødt eller grønt lys bølger nok til at de kan gå inn og forplante seg inne i blokken. På motsatt side av blokken tillot et annet sett gitter lyset å gå ut, vinklet fra den opprinnelige retningen. Avstanden mellom utgangsristene var forskjellig fra inngangsristenes, og bøyde innfallende lys slik at eksternt lys ikke kunne komme inn i blokken fra den siden. Rundt 30 ganger passerte mer lys fremover enn i revers. De mellomliggende blokkene reduserte behovet for presis innretting av de to ristene i forhold til hverandre.

Slike strukturer har potensiale for applikasjoner i optisk kommunikasjon - for eksempel kan de integreres i fotoniske datamaskinbrikker som deler eller kombinerer signaler som bæres av lysbølger. Andre potensielle applikasjoner inkluderer biosensing ved hjelp av partikler i nanoskala for å avlede lys til vinkler som er bratte nok til å bevege seg gjennom det hyperbolske materialet og ut den andre siden.

Klumpede kretselementer

Ved å benytte en kombinasjon av plasmoniske og ikke-plasmoniske nanopartikler , ser det ut til å være klumpete kretselement-nanokretser ved infrarøde og optiske frekvenser. Konvensjonelle klumpede kretselementer er ikke tilgjengelige på en konvensjonell måte.

Subwavelength klumpete kretselementer viste seg å fungere i mikrobølgeovn og radiofrekvens (RF) domene. Det klumpete elementkonseptet tillot elementforenkling og kretsmodularisering. Fremstillingsteknikker for nanoskala eksisterer for å oppnå geometri under bølgelengden.

Celle design

Metaller som gull , sølv , aluminium og kobber leder strømmer ved RF- og mikrobølgefrekvenser. Ved optiske frekvenser endres egenskapene til noen edle metaller. I stedet for normal strømning, oppstår plasmoniske resonanser når den virkelige delen av den komplekse permittiviteten blir negativ. Derfor er den viktigste strømflyten er faktisk den elektriske forskyvningsstrømtetthet ∂D / ∂t, og kan betegnes som den “flytende optiske strøm".

Ved subbølgelengdeskala blir cellens impedans avhengig av form, størrelse , materiale og den optiske frekvensbelysningen. Partikkelens orientering med det optiske elektriske feltet kan også bidra til å bestemme impedansen. Konvensjonelle silisiumdielektrikker har den virkelige permittivitetskomponenten ε ekte > 0 ved optiske frekvenser, noe som får nanopartikkelen til å fungere som en kapasitiv impedans, en nanokondensator. Omvendt, hvis materialet er et edelt metall som gull eller sølv, med ε ekte <0, så får det induktive egenskaper og blir en nanoinduktor. Materiell tap er representert som en nano-motstand.

Tunbarhet

Hovedartikler: Avstemmbare metamaterialer og ikke- lineære metamaterialer

Den vanligste ordningen for å oppnå en avstembar brytningsindeks er elektrooptisk innstilling. Her er endringen i brytningsindeks proporsjonal med enten det påførte elektriske feltet, eller er proporsjonal med kvadratmodulen til det elektriske feltet. Dette er henholdsvis Pockels-effekten og Kerr-effekten .

Et alternativ er å benytte et ikke-lineært optisk materiale og avhenge av den optiske feltintensiteten for å endre brytningsindeksen eller magnetiske parametere.

Lagdeling

Å stable lag produserer NIM-er ved optiske frekvenser. Imidlertid forhindrer overflatekonfigurasjonen (ikke-plan, bulk) av SRR normalt stabling. Selv om en enkelt-lags SRR-struktur kan konstrueres på en dielektrisk overflate, er det relativt vanskelig å stable disse bulkstrukturene på grunn av krav til justeringstoleranse. En stablingsteknikk for SRR-er ble publisert i 2007 som bruker dielektriske avstandsstykker for å bruke en planiseringsprosedyre for å flate SRR-laget. Det ser ut til at vilkårlige mange lag kan lages på denne måten, inkludert et hvilket som helst valgt antall enhetsceller og forskjellige romlige arrangementer av individuelle lag.

Frekvensdobling

I 2014 kunngjorde forskere et 400 nanometer tykt frekvensdoblende ikke-lineært speil som kan stilles inn til å fungere ved nær-infrarød til midt-infrarød til terahertz-frekvens. Materialet fungerer med mye lavere intensitetslys enn tradisjonelle tilnærminger. For en gitt lysintensitet og strukturtykkelse produserte metamaterialet omtrent en million ganger høyere intensitet. Speilene krever ikke samsvar med fasehastighetene til inngangs- og utgangsbølgene.

Det kan produsere gigantisk ikke-lineær respons for flere ikke-lineære optiske prosesser, for eksempel andre harmoniske, sum- og forskjellsfrekvensgenerering, samt en rekke firebølgeblandingsprosesser. Demonstrasjonsenheten konverterte lys med en bølgelengde på 8000 til 4000 nanometer.

Enheten er laget av en bunke tynne lag med indium , gallium og arsen eller aluminium , indium og arsen. 100 av disse lagene, hver mellom en og tolv nanometer tykke, ble møtt på toppen av et mønster av asymmetriske, kryssede nanostrukturer i gull som danner koblede kvantebrønner og et lag gull på bunnen.

Potensielle applikasjoner inkluderer fjernmåling og medisinske applikasjoner som krever kompakte lasersystemer.

Annen

Dyakonov overflatebølger (DSW) er relatert til dobbeltbrytning relatert til fotoniske krystaller, metamateriale anisotropi. Nylig fotonisk metamateriale opererte ved 780 nanometer (nær infrarød), 813 nm og 772 nm.

Se også

Referanser

Generelle referanser

Eksterne linker