Metamateriał fotoniczny - Photonic metamaterial

Artykuły o
Elektromagnetyzm
Elektrozawór
Elektrostatyka
Magnetostatyka
Elektrodynamika
Sieć elektryczna
Sformułowanie kowariantne
Naukowcy

Fotonicznego metamateriał ( PM ), znany również jako metamateriału optycznego jest rodzajem metamateriału elektromagnetycznego , który współdziała ze światłem, obejmujący teraherców ( THz ), w podczerwieni (IR) lub widzialnym . Materiały wykorzystują okresową , komórkową strukturę.

Subwavelength okresowość odróżnia fotonicznych metamateriały z luki fotoniczną lub fotonicznych krystalicznych struktur. Te komórki są na skali, która jest większa od wielkości atomu jednak znacznie mniejsza niż długość fali promieniowania są rzędu nanometrów .

W konwencjonalnym materiale reakcja na pola elektryczne i magnetyczne , a tym samym na światło , jest determinowana przez atomy . W metamateriałach komórki pełnią rolę atomów w materiale, który jest jednorodny w skali większej niż komórki, tworząc efektywny model pożywki .

Niektóre metamateriały fotoniczne wykazują magnetyzm przy wysokich częstotliwościach, co skutkuje silnym sprzężeniem magnetycznym. Może to powodować ujemny współczynnik załamania w zakresie optycznym.

Potencjalne zastosowania obejmują optykę maskującą i transformacyjną .

Kryształy fotoniczne różnią się od PM tym, że wielkość i okresowość ich elementów rozpraszających są większe, rzędu długości fali. Ponadto kryształ fotoniczny nie jest jednorodny , więc nie jest możliwe określenie wartości ε ( przepuszczalność ) lub u ( przepuszczalność ).

Historia

Główny artykuł: Historia metamateriałów

Badając, czy materia oddziałuje z magnetycznym składnikiem światła, Victor Veselago (1967) przewidział możliwość załamania ze znakiem ujemnym, zgodnie z równaniami Maxwella . Załamania światła ze znakiem ujemnym jest wynikiem przenikalności, ε <0 (mniejszy niż zero) i przenikalności magnetycznej, ľ <0 (mniejszy niż zero). Analiza Veselago była cytowana w ponad 1500 recenzowanych artykułach i wielu książkach.

Porównanie refrakcji w metamateriale lewoskrętnym do tego w normalnym materiale

W połowie lat 90. metamateriały były po raz pierwszy postrzegane jako potencjalne technologie do zastosowań takich jak obrazowanie w skali nanometrycznej i maskowanie obiektów . Od 2015 roku anteny metamateriałowe były dostępne na rynku.

Przepuszczalność ujemną osiągnięto za pomocą rezonatora z rozszczepionym pierścieniem (SRR) jako części komórki o subfalowej długości. SRR osiągnął ujemną przepuszczalność w wąskim zakresie częstotliwości. Połączono to z symetrycznie umieszczonym słupkiem przewodzącym prąd elektryczny , który stworzył pierwszy metamateriał o ujemnym indeksie, działający w paśmie mikrofalowym. Eksperymenty i symulacje wykazały obecność lewoskrętnego pasma propagacji, materiału lewoskrętnego. Pierwsze eksperymentalne potwierdzenie ujemnego współczynnika załamania nastąpiło wkrótce potem, również przy częstotliwościach mikrofalowych.

Przepuszczalność ujemna i przenikalność ujemna

Zdjęcie siatki metamateriału użytej do wykazania ujemnej refrakcji . Układ rezonatorów z kwadratowymi pierścieniami dzielonymi zapewnia materiałowi ujemną przenikalność magnetyczną, podczas gdy układ prostych drutów nadaje mu ujemną przenikalność

Materiały naturalne , takie jak metale szlachetne , mogą osiągnąć ε<0 do częstotliwości widzialnych . Jednak przy częstotliwościach terahercowych , podczerwonych i widzialnych materiały naturalne mają bardzo słaby składnik sprzężenia magnetycznego, czyli przepuszczalność. Innymi słowy, podatność na składnik magnetyczny promieniowanego światła można uznać za znikomą.

Metamateriały o ujemnym indeksie zachowują się w przeciwieństwie do konwencjonalnej „prawoskrętnej” interakcji światła występującej w konwencjonalnych materiałach optycznych. W związku z tym są one nazywane materiałami leworęcznymi lub materiałami o ujemnym indeksie (NIM), wśród innych nomenklatur.

Tylko sfabrykowane NIM mają tę możliwość. Kryształy fotoniczne, podobnie jak wiele innych znanych układów, mogą wykazywać niezwykłe zachowanie propagacyjne, takie jak odwrócenie prędkości fazowych i grupowych . Jednak w tych układach nie występuje ujemna refrakcja.

Naturalnie występujące materiały ferromagnetyczne i antyferromagnetyczne mogą osiągnąć rezonans magnetyczny, ale ze znacznymi stratami. W materiałach naturalnych, takich jak magnesy naturalne i ferryty , rezonans dla odpowiedzi elektrycznej (sprzęgania) i magnetycznej (sprzęgania) nie występuje przy tej samej częstotliwości.

Częstotliwość optyczna

Fotoniczne metamateriały SRR osiągnęły skalę poniżej 100 nanometrów przy użyciu wiązki elektronów i nanolitografii . Jedna komórka SRR w nanoskali ma trzy małe metalowe pręciki, które są fizycznie połączone. Jest on skonfigurowany w kształcie litery U i działa jako nano-induktor . Szczelina między końcówkami w kształcie litery U działa jak nanokondensator . Jest więc optycznym rezonatorem nano-LC . Te "wtrącenia" wytwarzają lokalne pola elektryczne i magnetyczne, gdy są wzbudzane zewnętrznie. Te wtrącenia są zwykle dziesięć razy mniejsze niż długość fali w próżni światła c 0 przy częstotliwości rezonansowej. Wtrącenia można następnie ocenić przy użyciu efektywnego przybliżenia pożywki.

PM wykazują reakcję magnetyczną o użytecznej wielkości przy częstotliwościach optycznych. Obejmuje to przepuszczalność ujemną, pomimo braku materiałów magnetycznych. Analogicznie do zwykłego materiału optycznego, PM można traktować jako ośrodek efektywny, który charakteryzuje się parametrami ośrodka efektywnego ε(ω) i μ(ω) lub podobnie ε eff i μ eff .

Ujemny współczynnik załamania cząstek stałych w zakresie częstotliwości optycznych został eksperymentalnie zademonstrowany w 2005 r. przez Shalaev et al. (przy długości fali telekomunikacyjnej λ = 1,5 μm) oraz Brueck et al. (przy λ = 2 μm) prawie w tym samym czasie.

Efektywny model średni

Skuteczne (transmisja) średni przybliżenie opisuje płyty materiału, który podczas reakcji do zewnętrznego pobudzenia , są „skuteczne” jednorodny z odpowiadającym „skuteczny” parametry, które zawierają „efektywną” ε i jj, i są stosowane do płyty jako całości. Poszczególne wtrącenia lub komórki mogą mieć inne wartości niż płyta. Zdarzają się jednak przypadki, w których efektywne przybliżenie średnie nie sprawdza się i trzeba być świadomym jego stosowalności.

Magnetyzm sprzęgający

Ujemną przepuszczalność magnetyczną pierwotnie osiągnięto w ośrodku lewoskrętnym przy częstotliwościach mikrofalowych przy użyciu macierzy rezonatorów z dzielonymi pierścieniami. W większości naturalnych materiałów reakcja sprzężona magnetycznie zaczyna się zmniejszać przy częstotliwościach w zakresie gigahercowym , co oznacza, że ​​znaczny magnetyzm nie występuje przy częstotliwościach optycznych. Efektywna przepuszczalność takich materiałów wynosi jedność, μ eff = 1. Stąd składnik magnetyczny wypromieniowanego pola elektromagnetycznego nie ma praktycznie żadnego wpływu na naturalnie występujące materiały przy częstotliwościach optycznych.

W metamateriałach komórka działa jak meta-atom, dipol magnetyczny o większej skali , analogiczny do atomu wielkości pikometru . W przypadku metaatomów zbudowanych ze złota μ < 0 można osiągnąć na częstotliwościach telekomunikacyjnych, ale nie na częstotliwościach widzialnych. Widoczna częstotliwość była nieuchwytna, ponieważ częstotliwość plazmy metali jest ostatecznym warunkiem ograniczającym.

Projekt i wykonanie

Długości fal optycznych są znacznie krótsze niż mikrofale, co sprawia, że ​​metamateriały optyczne o mniejszej długości fali są trudniejsze do zrealizowania. Metamateriały mikrofalowe można wytwarzać z materiałów płytek drukowanych , podczas gdy do wytwarzania cząstek stałych trzeba stosować techniki litograficzne .

Udane eksperymenty wykorzystywały okresowe układanie krótkich drutów lub metalowych kawałków o różnych kształtach. W innym badaniu cała płyta została podłączona elektrycznie.

Techniki wytwarzania obejmują litografię wiązką elektronów , nanostrukturyzację za pomocą skupionej wiązki jonów oraz litografię interferencyjną .

W 2014 roku polaryzacja -insensitive metamateriał prototyp została wykazana do pochłaniania energii w szerokim paśmie (a super-oktawy ) długości fal podczerwonych. Materiał wykazał ponad 98% zmierzonej średniej absorpcji, którą utrzymywał w szerokim ±45° polu widzenia dla długości fal średniej podczerwieni między 1,77 a 4,81 μm. Jednym z zastosowań jest ukrywanie obiektów przed czujnikami podczerwieni. Pallad zapewniał większą przepustowość niż srebro czy złoto. Algorytm genetyczny Losowo modyfikowana początkowy wzór kandydata, badania i eliminowania wszystkich ale najlepsze. Proces powtarzano przez wiele pokoleń, aż projekt stał się skuteczny.

Metamateriał składa się z czterech warstw na podłożu krzemowym. Pierwsza warstwa to pallad, pokryty poliimidem (plastik) i na wierzchu sito palladowe. Ekran ma wycięcia na podrzędne długości fal, które blokują różne długości fal. Warstwa poliamidowa pokrywa cały absorber. Może pochłaniać 90 procent promieniowania podczerwonego pod kątem do 55 stopni w stosunku do ekranu. Warstwy nie wymagają dokładnego wyrównania. Poliamidowa nasadka chroni ekran i pomaga zmniejszyć niedopasowanie impedancji, które może wystąpić, gdy fala przechodzi z powietrza do urządzenia.

Badania

Transmisja jednokierunkowa

W 2015 roku światło widzialne dołączyło do mikrofalowych i podczerwieni NIM, rozchodząc się tylko w jednym kierunku. („ lusterka ” zamiast tego zmniejszają przepuszczalność światła w odwrotnym kierunku, co wymaga niskiego poziomu światła za lustrem.)

Materiał połączył dwie nanostruktury optyczne: wielowarstwowy blok naprzemiennych tafli srebra i szkła oraz metalowych krat. Struktura srebrno-szklana to „hiperboliczny” metamateriał, który inaczej traktuje światło w zależności od kierunku, w którym poruszają się fale. Każda warstwa ma grubość dziesiątek nanometrów — jest znacznie cieńsza niż światło widzialne o długości fali od 400 do 700 nm, przez co blok jest nieprzezroczysty dla światła widzialnego, chociaż światło wpadające pod pewnymi kątami może rozprzestrzeniać się wewnątrz materiału.

Dodanie chromowanych kratek o odstępach podfalowych wygięło przychodzące czerwone lub zielone fale świetlne na tyle, że mogły wejść i rozprzestrzenić się wewnątrz bloku. Po przeciwnej stronie bloku kolejny zestaw kratek pozwalał na wyjście światła, odchylony od pierwotnego kierunku. Rozstaw kratek wyjściowych był inny niż kratek wejściowych, uginając padające światło tak, aby światło zewnętrzne nie mogło dostać się do bloku z tej strony. Około 30 razy więcej światła przeszło do przodu niż do tyłu. Bloki interweniujące zmniejszyły potrzebę precyzyjnego wyrównania dwóch rusztów względem siebie.

Takie struktury mają potencjał do zastosowań w komunikacji optycznej — na przykład można je zintegrować z fotonicznymi chipami komputerowymi, które dzielą lub łączą sygnały przenoszone przez fale świetlne. Inne potencjalne zastosowania obejmują biodetekcja wykorzystująca cząstki w nanoskali do odchylania światła pod kątem wystarczająco dużym, aby przejść przez materiał hiperboliczny na drugą stronę.

Elementy obwodu scalonego

Wydaje się, że dzięki zastosowaniu kombinacji nanocząstek plazmonicznych i nieplazmonicznych możliwe są nanoobwody z elementami obwodów skupionych w podczerwieni i częstotliwościach optycznych. Konwencjonalne elementy z obwodami skupionymi nie są dostępne w konwencjonalny sposób.

Skumulowane elementy obwodów o subfalowej długości okazały się przydatne w dziedzinie mikrofal i częstotliwości radiowych (RF). Koncepcja elementów skupionych pozwoliła na uproszczenie elementów i modularyzację obwodów. Istnieją techniki wytwarzania w nanoskali , aby uzyskać geometrie o długości poniżej fali.

Projekt komórki

Metale takie jak złoto , srebro , aluminium i miedź przewodzą prądy o częstotliwościach RF i mikrofalach. Przy częstotliwościach optycznych zmienia się charakterystyka niektórych metali szlachetnych. Zamiast normalnego przepływu prądu, rezonanse plazmoniczne występują, gdy rzeczywista część złożonej przenikalności staje się ujemna. Dlatego głównym przepływem prądu jest w rzeczywistości gęstość prądu przesunięcia elektrycznego ∂D / ∂t i można go nazwać „płynącym prądem optycznym”.

W skalach subfalowych impedancja komórki zależy od kształtu, rozmiaru , materiału i częstotliwości optycznej oświetlenia. Orientacja cząstki za pomocą optycznego pola elektrycznego może również pomóc w określeniu impedancji. Konwencjonalne dielektryki krzemowe mają rzeczywisty składnik przenikalności elektrycznej ε real > 0 przy częstotliwościach optycznych, co powoduje, że nanocząstka działa jako impedancja pojemnościowa , nanokondensator. I odwrotnie, jeśli materiał jest metalem szlachetnym, takim jak złoto lub srebro, o ε real < 0, wówczas nabiera cech indukcyjnych , stając się nanoinduktorem. Strata materiału jest reprezentowana jako nanorezystor.

Przestrajanie

Główne artykuły: przestrajalne metamateriały i nieliniowe metamateriały

Najpowszechniej stosowanym schematem uzyskania przestrajalnego współczynnika załamania światła jest strojenie elektrooptyczne. Tutaj zmiana współczynnika załamania jest proporcjonalna albo do przyłożonego pola elektrycznego, albo jest proporcjonalna do modułu kwadratowego pola elektrycznego. Są to odpowiednio efekt Pockelsa i Kerra .

Alternatywą jest zastosowanie nieliniowego materiału optycznego i uzależnienie od natężenia pola optycznego w celu modyfikacji współczynnika załamania lub parametrów magnetycznych.

Warstwy

Układanie warstw tworzy NIM przy częstotliwościach optycznych. Jednak konfiguracja powierzchni (niepłaska, masowa) SRR zwykle zapobiega układaniu w stosy. Chociaż jednowarstwową strukturę SRR można zbudować na powierzchni dielektrycznej , stosunkowo trudno jest układać te masywne struktury w stos ze względu na wymagania dotyczące tolerancji wyrównania. W 2007 roku opublikowano technikę układania w stos dla SRR, która wykorzystuje przekładki dielektryczne do zastosowania procedury planaryzacji w celu spłaszczenia warstwy SRR. Wydaje się, że można w ten sposób wykonać dowolną liczbę warstw, w tym dowolną liczbę komórek elementarnych i wariantowe rozmieszczenie przestrzenne poszczególnych warstw.

Podwojenie częstotliwości

W 2014 roku naukowcy ogłosili nieliniowe lustro o grubości 400 nanometrów, podwajające częstotliwość, które można dostroić do pracy w zakresie od bliskiej podczerwieni do średniej podczerwieni do częstotliwości terahercowych. Materiał działa ze znacznie mniejszym natężeniem światła niż tradycyjne podejścia. Przy danej wejściowej intensywności światła i grubości struktury metamateriał wytworzył około milion razy wyższą intensywność. Zwierciadła nie wymagają dopasowania prędkości fazowych fal wejściowych i wyjściowych.

Może generować gigantyczną nieliniową odpowiedź dla wielu nieliniowych procesów optycznych , takich jak generowanie drugiej harmonicznej, częstotliwości sumarycznej i różnicowej, a także różnych czterofalowych procesów mieszania. Urządzenie demonstracyjne konwertowało światło o długości fali od 8000 do 4000 nanometrów.

Urządzenie wykonane jest ze stosu cienkich warstw indu , galu i arsenu lub aluminium , indu i arsenu. 100 z tych warstw, każda o grubości od jednego do dwunastu nanometrów, było pokrytych na górze wzorem asymetrycznych, krzyżujących się nanostruktur złota, które tworzą sprzężone studnie kwantowe i warstwę złota na dole.

Potencjalne zastosowania obejmują teledetekcję i zastosowania medyczne, które wymagają kompaktowych systemów laserowych.

Inny

Fale powierzchniowe Dyakonova (DSW) dotyczą dwójłomności związanej z kryształami fotonicznymi, anizotropią metamateriału. Ostatnio metamateriał fotoniczny działał przy 780 nm (bliska podczerwień), 813 nm i 772 nm.

Zobacz też

Bibliografia

Ogólne odniesienia General

Linki zewnętrzne