Metamateriales flexibles de lámina de aluminio logran transparencia inducida electromagnéticamente por acoplamiento conductivo

Resumen

Proponemos un metamaterial metálico terahercio acoplado conductivamente exhibiendo análogo de transparencia inducida electromagnéticamente (EIT), donde antenas modo brillante y oscuro interactúan vía corrientes superficiales en lugar de acoplamiento campo cercano. Lámina aluminio, muy barata y usada en envases alimentarios, se usa fabricar nuestros metamateriales. Así, nuestros metamateriales son también flexibles. En nuestro diseño, resonadores barra aluminio y resonadores anillo dividido (SRR) aluminio están conectados (no separados) en forma estructura horquilla. Realizamos simulación numérica y experimento analizar mecanismo metamaterial propuesto. Corriente superficial por resonancia LSP (modo brillante) fluye por diferentes caminos, generando diferencia potencial en hendiduras SRR. Así, se induce resonancia LC (modo oscuro), suprimiendo modo brillante, resultando EIT. Fenómeno tipo EIT exhibido por metamaterial inducido por corrientes conducción superficial, pudiendo dar nuevas ideas diseño metamateriales EIT. Además, proceso fabricar microestructuras sustratos flexibles da referencia producir microestructuras flexibles futuro.

Introducción

Metamateriales son compuestos artificialmente diseñados con estructuras sublongitud onda. Sus propiedades físicas, como constante dieléctrica, permeabilidad y conductividad, pueden diseñarse arbitrariamente cambiando estructura y tamaño red periódica. Por tanto, muchos fenómenos interesantes pueden realizarse adaptando geometría celdas unitarias, con inmenso potencial aplicaciones: metalentes y regulación frente onda relacionado metasuperficies, medios índice negativo, polarizadores, absorbentes metamateriales, semidispositivos reconfigurables. Combinación metamateriales y materiales 2D amplía ámbito investigación. Entre ellos, análogo transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) exhibido por metamateriales es tema candente.

EIT es fenómeno cuántico-mecánico originalmente observado en sistemas atómicos/moleculares basado en interferencia destructiva entre transiciones impulsadas dos haces láser. EIT hace medio altamente opaco transparente región espectral estrecha por falta absorción, ahora realizado en estructuras guía onda. Por otro lado, análogo EIT también observado en metamateriales, caracterizado por pico transparente relativamente estrecho en región opaca ancha en espectro. Varias resonancias pueden ocurrir en metamateriales por interacción entre estructuras periódicas y campo electromagnético incidente. Además, interferencia destructiva entre diferentes resonancias causa fenómenos tipo EIT en metamateriales. Muchos investigadores trabajan este tema, variedad estructuras propuesta realizar fenómeno. Mecanismo formación EIT actual común basado en interferencia destructiva entre "modos brillantes" y "modos oscuros". Por ejemplo, oscilación inductivo-capacitiva (LC) en resonadores anillo dividido metálicos (SRR) suprime resonancia plasmon superficial localizado (LSP) en barras metálicas; cuadrupolo suprime dipolo en metamateriales combinados resonadores forma barra o ranuras forma barra direcciones diferentes; resonancia magnética en bloque dieléctrico o resonador anillo dieléctrico suprime resonancia eléctrica en resonador barra dieléctrico. Interferencia destructiva entre modo brillante factor calidad (Q) menor y modo brillante factor Q mayor (cuasi-modo oscuro) también induce análogo EIT. Por ejemplo, resonancias LC factor Q mayor en SRR suprimen resonancias LSP factor Q menor en resonadores anillo metálicos; modo guía factor Q mayor en capa guía onda suprime resonancias estructura periódica encima capa guía onda. Algunos académicos incorporaron sustancias controlables diseño realizar sintonización todo-óptica EIT o control electrónico activo EIT. En la mayoría diseños, particularmente metamateriales metálicos, antenas diferentes modos siempre separadas; interactúan entre sí a través acoplamiento campo cercano.

Un metal tiene alta conductividad eléctrica banda terahercio. Además, estructura metamaterial metálico sometida a plasmon superficial cuando resonancia excitada, y corriente conducción superficial inducida al mismo tiempo, haciendo posible acoplamiento conductivo. Aquí proponemos diseño donde diferentes resonadores interactúan vía corrientes superficiales. Proponemos metamaterial metálico terahercio acoplado conductivamente, donde antenas modo brillante y oscuro conectadas forma estructura horquilla para realizar análogo EIT.

Métodos/Experimental

Figura 1 muestra diseño metamaterial terahercio acoplado conductivamente propuesto. Estructura es array periódico forma horquilla formado interconectando resonadores barra aluminio y SRR aluminio.

Períodos celdas unitarias iguales direcciones x e y; P_x = P_y = 150 μm. Longitud SRR cuadrado a = 45 μm. Hueco entre dos SRR S = 30 μm. Hendidura SRR g = 10 μm. Longitud barra aluminio L = 65 μm. Ancho línea tiras aluminio y SRR w = 8 μm. Sustrato polietileno tereftalato (PET). Todas simulaciones: simulaciones onda completa CST Microwave Studios (metal aluminio conductividad 3,56×10⁷ S/m, permitividad sustrato PET 3,2). Espesor estructura aluminio 150 nm simulación. Asumimos luz incidente onda plana propagando dirección opuesta eje z. Campos eléctrico y magnético luz incidente polarizados ejes y y x respectivamente.

En experimento, usamos compuesto comprado película PET-aluminio como material bruto. Este papel aluminio comercial muy barato y usado comúnmente envases alimentos. Litografía (escritura directa láser) y grabado húmedo empleados fabricación. Comparado tecnologías micro/nanofabricación convencionales, técnica escritura directa láser ofrece ventajas distintas: procesamiento diseñable sin máscaras, facilidad integración dispositivos dados, factibilidad capacidad estructuración 3D. Como sustrato PET muy blando por espesor ~20 μm, primero añadimos líquido volátil sustrato cuarzo plano limpio, luego aplanamos compuesto película PET-aluminio sobre sustrato cuarzo, descargamos aire entre material compuesto y sustrato cuarzo. Tras evaporar líquido, compuesto plano se adhiere firmemente superficie sustrato cuarzo; conveniente para posteriores procesos fotorresistencia centrifugado y fotolitografía.

Tras fabricación metamaterial, retirado suavemente sustrato cuarzo para pruebas posteriores. Espectroscopía dominio tiempo terahercio (THz-TDS) empleada medir coeficientes transmisión complejos muestras incidencia normal polarización y. Material flexible, Fig. 2, muestra metamaterial fabricado, donde porción intermedia aparentemente transparente array periódico 60×80. Imagen microscópica estructura acoplada conductivamente fabricada también mostrada recuadro. Método anterior da referencia fabricar microestructuras material flexible realizar dispositivo flexible.

Resultados y Discusión

Figura 3 muestra espectros frecuencia simulados y medidos metamaterial metálico terahercio acoplado conductivamente, línea negra sólida y línea azul punteada respectivamente. Imagen microscópica estructura también mostrada junto. Curva medida y resultado simulación en buen acuerdo. Metamaterial fabricado exhibe pico transmisión ~0,76 THz. Pico EIT medido rango ~0,15-0,45, menor que simulación (0,7). Según ratio frecuencia central pico transmisión a ancho media altura (FWHM), factor Q espectro simulado 17,5, disminuye ~12 resultado experimental por pérdidas y precisión medida. Por otro lado, comparar metamaterial terahercio acoplado conductivamente con estructuras convencionales donde resonador barra metálico y SRR metálicos interactúan vía acoplamiento campo cercano, fabricamos y probamos muestra donde resonador barra separado SRR. Figura 3 también muestra espectros frecuencia simulados y medidos estructura convencional, línea roja sólida y línea rosa punteada respectivamente. Para estructura convencional separada, ni fenómeno EIT ni resonancia ocurre rango frecuencia 0,5-1 THz. Comparación muestra mecanismo nuestro metamaterial EIT conductivo diferente estructura convencional separada.

Aunque resultados experimentales mayormente concuerdan simulación, hay diferencias menores. Analizamos y simulamos efectos diferentes parámetros resultados, Fig. 4.

Primero, estructura metamaterial compuesta aluminio. Superficie metal aluminio propensa formar densa película óxido, reduciendo conductividad estructura y debilitando efecto acoplamiento conductivo. Efecto conductividad fenómeno EIT metamaterial Fig. 4a. Al disminuir conductividad (3,56×10⁷ a 3,56×10⁵ S/m), amplitud EIT disminuye significativamente, frecuencia se desplaza ligeramente 0,76 a 0,72 THz. Además, tamaño metamateriales fabricados medido microscopio. Encontradas diferencias obvias entre tamaño estructura fabricada y parámetros simulación: ancho línea tiras aluminio y SRR w (6,5-7,5 μm) más delgado valor diseño (8 μm); longitud SRR cuadrado a (43-41 μm) menor valor diseño (45 μm); longitud barra aluminio L (61-62 μm) más corta valor diseño (65 μm). Influencias w, a, L efecto EIT mostradas Fig. 4b, c, d. Fig. 4b: al disminuir w, frecuencia fenómeno EIT disminuye. Como w involucra tanto SRR como estructura barra metálica, cambio este parámetro causa desplazamiento frecuencia absorción y transmisión EIT. Fig. 4c, d: al disminuir a y L, pico transmisión y rango absorción EIT aparecen desplazamiento azul respectivamente, frecuencia aumenta. Combinación todas estas diferencias experimento y simulación llevó finalmente diferencia entre espectro medido real y simulado. Además, según desplazamiento frecuencia región absorción y pico transmisión causado variación parámetros Fig. 4, también concluirse que aunque antenas modo brillante y oscuro integradas estructura, hay requisitos estrictos tamaño ambas antenas para hacer estas dos frecuencias modos coincidan entre sí.

Para analizar más mecanismo formación EIT metamaterial conductivo, simulamos corriente superficial y distribución campo eléctrico en frecuencia pico EIT (0,76 THz) y valles transmisión (0,71 y 0,81 THz), lados izquierdo y derecho Fig. 5 respectivamente. Fig. 5a: corriente superficial fluye desde brazo metálico externo SRR a resonador barra. Consistente dirección polarización campo eléctrico incidente, es decir, de un extremo a otro eje y con oscilación ida-vuelta, exhibiendo resonancia LSP típica.

Fig. 5b: distribución corriente superficial frecuencia EIT (0,76 THz). Corriente superficial vórtice concentrada principalmente SRR, indicando resonancia LC fundamental y supresión resonancia LSP. Segundo valle transmisión frecuencia mayor (0,81 THz), distribución corriente superficial de un extremo a otro dirección eje y, indicativa resonancia LSP, Fig. 5c. Sin embargo, corriente superficial fluye través brazo metálico interno SRR. Comparación camino Fig. 5a, camino conducción corriente superficial Fig. 5c más corto, corresponde longitud onda resonancia menor y frecuencia resonancia mayor. Fig. 5e, d, f muestran distribuciones campo eléctrico frecuencias pico transmisión EIT y dos valles transmisión junto pico EIT. Fig. 5e: energía campo eléctrico concentrada principalmente hendiduras SRR, mientras Fig. 5d y f: energía campo eléctrico concentrada principalmente dos extremos estructura. Estos fenómenos corresponden sus respectivas distribuciones corriente superficial.

De hecho, generación esta resonancia LC (modo oscuro) también explicable conocimiento circuito. Cuando resonancia LSP (modo brillante) excitada, corriente superficial oscila ida-vuelta eje y. Cuando corriente fluye punto conectando resonador barra y SRR, hay bifurcación camino conducción. Corriente fluye unión a hendiduras SRR través dos caminos conductivos. Uno camino a lo largo brazo metálico fuera SRR, consistente dirección flujo corriente superficial Fig. 5a. Otro vía brazo metálico dentro SRR, Fig. 5c. Este fenómeno analogable proceso carga/descarga hendiduras SRR. De hecho, ya hay literaturas modelando resonador acoplado barra metálica y SRR como circuito RLC, y concepto "resonancia LC" utilizado muchos años. Hendidura SRR metálico puede considerarse capacitor. Cuando corriente superficial conducida en brazo metálico, aunque conductividad metal alta, aún existe resistencia. Además, bajo oscilación alta frecuencia ondas electromagnéticas, hay cierto obstáculo cambio alta velocidad corriente superficial. Es decir, hay inductancia. Resistencia e inductancia brazo metálico proporcionales longitud brazo. Si dos caminos lado externo e interno tras bifurcación asimétricos, Fig. 6a, R₁ menor suma R₂ y R₃, L₁ menor suma L₂ y L₃. Así cuando C₁ carga/descarga, velocidades dos caminos siempre diferentes, resultando diferencia potencial hendidura SRR. Equivale excitación eléctrica adicional aplicada hendiduras SRR y similar excitación campo electromagnético externo aplicado SRR con campo eléctrico polarizado junto hendidura. Sabido que modo resonancia LC en SRR excitado cuando campo eléctrico incidente polarizado junto hendidura.

Sin embargo, si puntos conectando resonador barra y SRR ubicados línea central vertical SRR, Fig. 6b, dos caminos lado externo e interno tras bifurcación simétricos. En este caso, R₁' = R₃', L₁' = L₃'. Por tanto, velocidad carga/descarga dos caminos siempre misma, no hay diferencia potencial.

Verificar conjetura, diseñamos y fabricamos otro metamaterial, donde puntos conectando resonador barra y SRR ubicados línea central vertical SRR. Así, longitud dos caminos conducción, corrientes fluyen brazo metálico fuera o dentro SRR, pueden ser mismos. Fig. 7a muestra espectros simulados y medidos este metamaterial. Imagen microscópica estructura también insertada junto. Ambos resultados simulados y experimentales demuestran solo resonancia en este rango frecuencia. Aunque frecuencia resonancia medida experimentalmente (~0,85 THz) tiene desviación frecuencia resonancia simulada (~0,87 THz), principalmente por errores experimentales, curva medida y resultado simulación en buen acuerdo. Fig. 7b muestra distribución corriente superficial cuando resonancia esta estructura inducida, exhibiendo resonancia LSP típica. Como distancias dos caminos conducción mismas, cantidad reducción potencial través dos caminos también misma; no hay diferencia potencial generada hendiduras; por tanto, resonancia LC y análogo fenómeno EIT no pueden formarse.

Respecto frecuencia esta resonancia LSP (0,87 THz), es mayor que estructura anterior. Porque en estructura actual, corriente superficial puede fluir través dos caminos conducción. Equivale circuito paralelo donde resistencia e inductancia menores que cualquiera ramas. Mismo efecto pasar camino conducción más corto. Camino conducción más corto, longitud onda resonancia menor, frecuencia resonancia mayor.

También simulamos influencia asimetría dos caminos conducción fenómeno EIT; resultados Fig. 8. Cuando punto conectando resonador barra y SRR mueve hacia arriba, Fig. 8a; amplitud pico transmisión aumenta accordingly.

Fig. 8b: cuando barra conexión central se dobla, preparando movimiento punto conexión hacia fuera, frecuencia región absorción EIT se vuelve mayor con aumento ángulo doblado. Al aumentar ángulo doblado, más partes camino conducción conectadas en paralelo, camino conducción más ancho, mismo efecto pasar camino conducción más corto. Camino más corto, longitud onda menor, frecuencia mayor. Esto también explica por qué frecuencia resonancia Fig. 7 mayor que Fig. 3. Fig. 8c: cuando punto unión mueve hacia fuera, asimetría disminuye, velocidades carga/descarga C₁ dos caminos tienden ser mismas; diferencia potencial menor, intensidad modo oscuro se debilita gradualmente, llevando declive pico transmisión EIT. Esto también refleja mayor diferencia dos caminos SSR tras bifurcación punto conexión, mayor efecto EIT.

También separamos estructura EIT metamaterial conductivo y estudiamos por separado. Fig. 9 muestra espectros simulados y medidos diferentes componentes estructura. Fig. 9a: estructura combinada barra metálica y parte externa SRR produce resonancia significativa 0,72 THz excitada campo eléctrico polarizado eje y. Fig. 9d muestra distribución corriente superficial cuando resonancia esta estructura inducida; similar distribución Fig. 5a.

Aunque dirección diferente, tendencia general corriente superficial considerada misma, porque campo electromagnético incidente oscila ida-vuelta. Fig. 9b: espectros combinación SRR bajo excitación luz incidente diferente polarización. Cuando campo eléctrico polarizado perpendicular dirección hendidura, no resonancia ocurre rango 0,5-1 THz, transmisión permanece alto nivel. Cuando campo eléctrico polarizado paralelo hendiduras SRR, resonancia generada 0,78 THz. Fig. 9e muestra distribución corriente superficial cuando esta resonancia excitada. Corriente superficial circula ida-vuelta superficie SRR, similar distribución Fig. 5b. Sin embargo, dirección dos corrientes superficiales vórtice Fig. 5b es espejo-simétrica eje y, mientras corrientes vórtice Fig. 9e misma dirección. Porque Fig. 9e, resonancias dos SRR inducidas mismo campo eléctrico. Por tanto, dirección corriente vórtice misma. Sin embargo, Fig. 5b, tanto estructura metamaterial propuesto como direcciones diferencia potencial generada hendiduras dos SRR son espejo-simétricas eje y, haciendo corriente superficial excitada también espejo-simétrica eje y. Diferencia frecuencias (0,76 THz vs 0,78 THz) atribuible a que corriente vórtice metamaterial conductivo no estrictamente distribuida solo SRR, elongación camino conducción lleva aumento longitud onda resonancia, haciendo frecuencia pico EIT (0,76 THz) ligeramente menor frecuencia resonancia LC combinación SRR (0,78 THz). Fig. 9c: estructura combinada barra metálica y parte interna SRR produce resonancia significativa 0,79 THz bajo campo eléctrico excitado eje y. Fig. 9f muestra distribución corriente superficial cuando resonancia esta estructura inducida, exhibiendo resonancia LSP típica. Resonancias componentes mencionados corresponden condiciones valle transmisión baja frecuencia, pico transmisión EIT, valle alta frecuencia respectivamente.

Conclusión

En conclusión, propusimos metamaterial EIT metálico terahercio acoplado conductivamente, donde antenas modo brillante y oscuro conectadas forma estructura horquilla. Lámina aluminio, muy barata y usada envases alimentos, usada fabricar nuestros metamateriales. Análisis numérico y experimental realizados analizar mecanismo. Corriente superficial por resonancia LSP (modo brillante) fluye diferentes caminos. Por asimetría punto conexión respecto hendidura SRR, diferencia potencial generada hendiduras SRR. Equivale excitación campo electromagnético externo con campo eléctrico polarizado junto hendidura. Así, resonancia LC (modo oscuro) inducida, modo brillante suprimido, resultando EIT. Estructura propuesta interactúa vía corrientes conducción superficial. Esto puede dar nuevas ideas diseño estructural metamateriales EIT. Además, proceso fabricar microestructuras sustratos flexibles da referencia producir microestructuras flexibles futuro.