Экспериментальная демонстрация электромагнитно-индуцированной прозрачности в проводящем гибком метаматериале с дешевой алюминиевой фольгой

Введение

Метаматериалы [1, 2] представляют собой искусственно созданные композиты с субволновой структурой. Их физические свойства, такие как диэлектрическая проницаемость, проницаемость и проводимость, могут быть произвольно заданы путем изменения структуры и размера периодической решетки. Таким образом, многие интересные явления могут быть реализованы путем изменения геометрии элементарных ячеек с огромным потенциалом применения. такие как металаты и связанная с ними регулировка волнового фронта в метаповерхности [3,4,5,6,7,8], средах с отрицательным показателем преломления [9, 10], поляризаторах [11, 12], поглотителях метаматериалов [13,14,15] и реконфигурируемые метаустройства [16]. Комбинация метаматериалов и двумерных материалов еще больше расширяет область исследований [17,18,19]. Среди них, аналог электромагнитно индуцированной прозрачности (EIT), проявляемый метаматериалами, является горячей точкой исследования.

EIT [20] - это квантово-механическое явление, первоначально наблюдаемое в атомных или молекулярных системах, основанное на деструктивной интерференции между переходами, управляемыми двумя лазерными лучами. EIT делает среду с высокой степенью непрозрачности прозрачной в узкой спектральной области из-за отсутствия поглощения, которое сейчас реализовано в волноводных структурах [21, 22]. С другой стороны, аналог EIT также наблюдается в метаматериалах, характеризующихся относительно узким прозрачным пиком в широкой непрозрачной области спектра. В метаматериалах могут возникать различные резонансы из-за взаимодействия периодических структур с падающим электромагнитным полем. Кроме того, деструктивная интерференция между различными резонансами вызывает в метаматериалах явления, подобные EIT. Многие исследователи сейчас занимаются этой темой, и было предложено множество структур для реализации этого явления. Нынешний общий механизм формирования EIT основан на деструктивной интерференции между «яркими модами» и «темными модами». Например, индуктивно-емкостные (LC) колебания в металлических разъемных кольцевых резонаторах (SRR) подавляют резонанс локализованного поверхностного плазмона (LSP) в металлических стержнях [23,24,25,26]; квадрупольный диполь подавления, в котором метаматериалы объединены с резонаторами в форме стержней [27,28,29,30] или канавками в форме стержней [31, 32] в разных направлениях; магнитный резонанс в диэлектрическом блоке или диэлектрическом кольцевом резонаторе подавляет электрический резонанс в диэлектрическом стержневом резонаторе [33,34,35]. Деструктивная интерференция между яркой модой с более низкой добротностью (добротностью) и яркой модой с более высокой добротностью (также известной как квазитемная мода) также вызывает аналог EIT в метаматериалах [36]. Например, ЖК-резонансы с более высокой добротностью в SRR подавляют резонансы LSP с более низкой добротностью в металлических кольцевых резонаторах [37,38,39]; волноводная мода с более высокой добротностью в волноводном слое подавляет резонансы в периодической структуре над волноводным слоем [40,41,42]. Некоторые ученые включили в конструкцию управляемые вещества для реализации полностью оптической настройки EIT [43, 44] или активного электронного управления EIT [45, 46]. В большинстве конструкций, особенно в металлических метаматериалах, антенны с разными модами всегда разделены; они взаимодействуют друг с другом посредством связи в ближней зоне.

Металл обладает высокой электропроводностью в терагерцовом диапазоне. Более того, структура из металлического метаматериала подвергается воздействию поверхностного плазмона при возбуждении резонанса, и в то же время индуцируется ток поверхностной проводимости, что делает возможной кондуктивную связь [47,48,49]. Здесь мы предлагаем конструкцию, в которой различные резонаторы взаимодействуют посредством поверхностных токов. Мы предлагаем металлический метаматериал терагерцового диапазона с токопроводящей связью, в котором антенны яркой и темной мод соединены в виде вилкообразной конструкции для реализации аналога EIT.

Методы / экспериментальные

На рис. 1 показана конструкция предлагаемого метаматериала терагерцового диапазона с токопроводящей связью. Структура представляет собой периодическую решетку в форме вилки, образованную соединением между собой алюминиевых стержневых резонаторов и алюминиевых SRR.

Схема метаматериала ЭИТ терагерцового диапазона с токопроводящей связью

Периоды элементарных ячеек равны как в x и y направления; P _x = P _y =150 мкм. Длина квадратного SRR составляет a =45 мкм. Разрыв между двумя SRR составляет S =30 мкм. Щелевой зазор SRR составляет g =10 мкм. Длина алюминиевого стержня составляет L . =65 мкм. Ширина линии алюминиевых полос и SRR составляет w . =8 мкм. Подложка сделана из полиэтилентерефталата (ПЭТ). Для всех симуляций соответствующие двухволновые симуляции были выполнены с использованием CST Microwave Studios (выбранный металл - алюминий с проводимостью 3,56 × 10 ⁷ См / м, диэлектрическая проницаемость подложки из ПЭТ - 3,2). При моделировании толщина алюминиевой структуры была установлена ​​на 150 нм. Мы предположили, что падающий свет представляет собой плоскую волну, распространяющуюся в направлении, противоположном направлению z -ось. Электрическое и магнитное поля падающего света поляризованы вдоль y - и x -axes соответственно.

Что касается эксперимента, то в качестве сырья мы использовали покупной композит ПЭТ-алюминиевая пленка. Этот вид коммерческой алюминиевой фольги очень дешев и часто используется в обычных пищевых упаковках. При изготовлении использовались процессы литографии (прямая лазерная запись) и мокрого травления. По сравнению с традиционными технологиями микро / нанопроизводства, метод прямой лазерной записи предлагает несколько явных преимуществ, таких как возможность проектирования без использования масок, простота интеграции с заданными устройствами и возможность трехмерного структурирования [50]. Поскольку подложка из ПЭТФ очень мягкая из-за ее толщины примерно 20 мкм, мы сначала добавили немного летучей жидкости на плоскую и чистую кварцевую подложку, затем расплющили композит ПЭТ-алюминиевая пленка на кварцевой подложке и удалили воздух между композитом. материал и кварцевая подложка. После испарения жидкости плоский композит прочно прикрепляется к поверхности кварцевой подложки; это удобно для последующих процессов фоторезиста и фотолитографии.

После изготовления метаматериала его осторожно удалили с кварцевой подложки для следующих испытаний. Затем была использована терагерцовая спектроскопия во временной области (THz-TDS) для измерения комплексных коэффициентов передачи образцов при нормальном падении для y -поляризационная заболеваемость. Гибкий материал, показанный на рис. 2, представляет собой изготовленный образец метаматериала, в котором кажущаяся прозрачной промежуточная часть представляет собой периодическую решетку 60 × 80. На вставке также показано микроскопическое изображение изготовленной структуры с токопроводящей связью. Вышеупомянутый метод является эталоном для изготовления микроструктур на гибком материале для реализации гибкого устройства.

Изготовлен образец метаматериала ЭИТ терагерцового диапазона с токопроводящей связью. Микроскопическое изображение изготовленной структуры с токопроводящей связью показано на вставке

Результаты и обсуждение

На рис. 3 показаны смоделированные и измеренные частотные спектры терагерцового металлического метаматериала с проводящей связью, обозначенные черной сплошной линией и синей пунктирной линией соответственно. Рядом также показано микроскопическое изображение структуры. Измеренная кривая и результат моделирования хорошо согласуются. Изготовленный метаматериал демонстрирует пик пропускания примерно на 0,76 ТГц. Измеренный пик EIT находится в диапазоне приблизительно 0,15–0,45, что ниже значения, определенного при моделировании (0,7). В соответствии с отношением центральной частоты пика пропускания к полной ширине на полувысоте (FWHM) добротность смоделированного спектра составляет 17,5, что снижается примерно до 12 в экспериментальном результате из-за потерь и точности измерения. С другой стороны, чтобы сравнить метаматериал терагерцового диапазона с токопроводящей связью с традиционными структурами, в которых металлический стержневой резонатор и металлические SRR взаимодействуют посредством связи в ближней зоне, мы изготовили и протестировали образец, в котором стержневой резонатор отделен от SRR. На рисунке 3 показаны смоделированные и измеренные частотные спектры традиционной структуры, обозначенные сплошной красной линией и розовой пунктирной линией соответственно. Для обычной разделенной структуры в диапазоне частот 0,5–1 ТГц не возникает ни явления ЭИП, ни резонанса. Сравнивая, мы обнаруживаем, что механизм нашего проводящего метаматериала EIT отличается от механизма традиционной разделенной структуры.

Смоделированные и измеренные спектры метаматериала терагерцового диапазона с токопроводящей связью и спектры обычного материала, в котором стержневой резонатор отделен от SRR. Рядом также показаны микроскопические изображения соответствующих структур

Хотя экспериментальные результаты в основном согласуются с результатами моделирования, есть некоторые незначительные отличия. Мы проанализировали и смоделировали влияние различных параметров на результаты, как показано на рис. 4.

Смоделированные спектры метаматериала терагерцового диапазона с проводящей связью с различными структурными параметрами a проводимость алюминия; б ширину линий алюминиевых полос и SRR; c длина квадрата СРР; г длина алюминиевого стержня

Прежде всего, структура метаматериала состоит из алюминия. Хорошо известно, что поверхность металлического алюминия склонна к образованию плотной оксидной пленки, что приводит к снижению проводимости структуры и ослабляет эффект проводящей связи структуры. Влияние проводимости на явление EIT метаматериала показано на рис. 4a. По мере уменьшения проводимости (с 3,56 × 10 ⁷ См / м до 3,56 × 10 ⁵ См / м) амплитуда EIT значительно уменьшается, а частота немного сдвигается, с 0,76 до 0,72 ТГц. Кроме того, размер изготовленных метаматериалов также был измерен с помощью микроскопа. Обнаружено, что есть некоторые различия между размером изготовленной конструкции и настройкой параметров в процессе моделирования. Здесь мы перечисляем некоторые очевидные различия:ширина линии алюминиевых полос и SRR, w , (6,5 ~ 7,5 мкм) тоньше проектного значения (8 мкм), а длина квадратного SRR, a , (43 ~ 41 мкм) меньше проектного значения (45 мкм), длина алюминиевого стержня, L , (61 ~ 62 мкм) меньше расчетного значения (65 мкм). Влияние w , а , и L на эффект ЭИТ показаны на рис. 4б, в соответственно. Как показано на рис. 4b, поскольку w уменьшается, частота явления EIT уменьшается. Поскольку параметр w включает в себя как SSR, так и структуру металлического стержня, изменение этого параметра вызывает сдвиг частоты поглощения и частоты передачи EIT. На рис. 4c, d как a и L При уменьшении пика пропускания и диапазона поглощения явления EIT появляется синий сдвиг, соответственно, то есть частота увеличивается. Сочетание всех этих различий в эксперименте и моделировании в конечном итоге привело к различию между фактическим измеренным спектром и смоделированным спектром. Более того, исходя из частотного сдвига области поглощения и пика передачи, вызванного изменением параметров на рис. 4, можно также сделать вывод, что, хотя антенны для яркой и темной мод интегрированы в структуру, существуют также строгие требования к размеру обеих антенн, чтобы эти две частоты режимов согласовывались друг с другом.

Для дальнейшего анализа механизма формирования EIT в проводящем метаматериале мы смоделировали поверхностный ток и распределение электрического поля на пиковой частоте EIT (0,76 ТГц) и на провалах передачи (0,71 и 0,81 ТГц), как показано слева и правые части рис. 5 соответственно. Как показано на рис. 5а, поверхностный ток течет от внешнего металлического плеча SRR к стержневому резонатору. Это согласуется с направлением поляризации падающего электрического поля, т. Е. От одного конца до другого вдоль y - ось с возвратно-поступательными колебаниями, что дает типичный резонанс LSP.

Поверхностный ток на разных частотах: а Пиковая частота EIT, b провал передачи с более низкой частотой, c провал передачи с более высокой частотой. Распределение электрического поля на разных частотах: d Пиковая частота EIT, e распределение электрического поля в провале передачи с более низкой частотой. е Распределение электрического поля на провале передачи с более высокой частотой

На рисунке 5b показано распределение поверхностного тока на частоте EIT (0,76 ТГц). Вихревой поверхностный ток в основном сосредоточен в SRR, что указывает на фундаментальный ЖК-резонанс и подавление резонанса LSP. Что касается второго провала передачи на более высокой частоте (0,81 ТГц), то распределение поверхностного тока идет от одного конца к другому вдоль y направление оси, указывающее на резонанс LSP, как показано на рис. 5c. Однако поверхностный ток протекает через внутреннее металлическое плечо SRR. По сравнению с путем, показанным на фиг. 5a, путь проводимости поверхностного тока, показанный на фиг. 5c, короче, что соответствует меньшей длине резонансной волны и более высокой резонансной частоте. На рис. 5e, d и f показаны распределения электрического поля на частотах пика передачи EIT и двух провалов передачи помимо пика EIT. На рис. 5e энергия электрического поля в основном сосредоточена в зазорах SRR, тогда как на рис. 5d и f энергия электрического поля в основном сосредоточена на двух концах структуры. Эти явления соответствуют их соответствующему распределению поверхностного тока.

Фактически, возникновение этого ЖК-резонанса (темная мода) также можно объяснить, зная схему. При возбуждении резонанса LSP (яркая мода) поверхностный ток колеблется взад и вперед вдоль y -ось. Когда ток течет к точке, соединяющей стержневой резонатор и SRR, на пути проводимости возникает бифуркация. Ток протекает от перехода к разделенным промежуткам SRR по двум проводящим путям. Один из путей проходит вдоль металлического плеча за пределами SRR, что соответствует направлению потока поверхностного тока, показанному на рис. 5a. Другой - через металлический рычаг внутри SRR, как показано на рис. 5c. Здесь это явление можно сравнить с процессом зарядки и разрядки щелей SRR. Фактически, уже существовала литература, моделирующая связанный резонатор из металлического стержня и SRR как RLC-контур [23], а концепция «LC-резонанса» использовалась в течение многих лет [45, 51]. Щель металлического SRR можно рассматривать как конденсатор. Когда поверхностный ток проводится по металлическому рычагу, хотя проводимость металла высока, некоторое сопротивление все же существует. Более того, при высокочастотном колебании электромагнитных волн возникает определенное препятствие для высокоскоростного изменения поверхностного тока. То есть индуктивность есть. Сопротивление и индуктивность металлического рычага пропорциональны длине металлического рычага. Если два пути на внешней стороне и внутренней стороне после разветвления асимметричны, как показано на рис. 6a, R ₁ меньше суммы R ₂ и R ₃ , и L ₁ меньше суммы L ₂ и L ₃ . Итак, когда C ₁ заряжается и разряжается, скорости на двух путях всегда различны, что приводит к разнице потенциалов в разделительном зазоре SRR. Это эквивалентно дополнительному электрическому возбуждению, приложенному к расщепленным зазорам SRR, а также внешнему возбуждению электромагнитного поля, приложенному к SRR с электрическим полем, поляризованным вдоль расщепленного зазора. Хорошо известно, что резонансная мода ЖК в SRR будет возбуждаться, когда падающее электрическое поле поляризовано вдоль расщепленного зазора.

Электрическая схема, моделирующая отклик токопроводящего метаматериала терагерцового диапазона, в котором расположены переходы a по одну сторону от вертикальной средней линии SRR; б на вертикальной центральной линии SRR

Однако, если точки, соединяющие стержневой резонатор и SRR, расположены на вертикальной центральной линии SRR, как показано на рис. 6b, два пути на внешней стороне и внутренней стороне после разветвления будут симметричными. В этом случае R ₁ ’= R ₃ ’, L ₁ ’= L ₃ '. Следовательно, скорость зарядки и разрядки по двум путям всегда одинакова, и разницы потенциалов нет.

Чтобы проверить это предположение, мы разработали и изготовили другой метаматериал, в котором точки, соединяющие стержневой резонатор и SRR, расположены на вертикальной центральной линии SRR. Таким образом, длина двух путей проводимости, то есть токи, протекающие по металлическому плечу снаружи или внутри SRR, может быть одинаковой. На рис. 7а показаны смоделированные и измеренные спектры этого метаматериала. Рядом также помещается микроскопическое изображение конструкции. Как моделированные, так и экспериментальные результаты демонстрируют, что резонанс существует только в этом диапазоне частот. Хотя экспериментально измеренная резонансная частота (приблизительно 0,85 ТГц) имеет некоторое отклонение от моделируемой резонансной частоты (приблизительно 0,87 ТГц), что в основном связано с экспериментальными ошибками, измеренная кривая и результат моделирования хорошо согласуются. На рисунке 7b показано распределение поверхностного тока при наведении резонанса этой структуры, демонстрирующее типичный резонанс LSP. Поскольку расстояния между двумя проводящими путями одинаковы, величина снижения потенциала на этих двух путях также одинакова; в разделенных зазорах отсутствует разность потенциалов; следовательно, LC-резонанс и аналог явления EIT не могут быть сформированы.

а Смоделированные и измеренные спектры метаматериала терагерцового диапазона с проводящей связью, в котором переходы расположены на вертикальной центральной линии SRR. б Поверхностные токи соответствующих резонансов

Что касается частоты этого резонанса LSP (0,87 ТГц), то она выше, чем у предыдущей структуры. Это связано с тем, что в токовой структуре поверхностный ток может протекать по двум проводящим путям. Это эквивалентно параллельной цепи, в которой сопротивление и индуктивность меньше, чем у любой из ветвей. Это то же самое, что и эффект прохождения по более короткому пути проводимости. Путь проводимости становится короче, резонансная длина волны становится меньше, а резонансная частота становится выше.

Мы также смоделировали влияние асимметрии двух путей проводимости на явление EIT; результаты показаны на фиг. 8. Когда точка, соединяющая стержневой резонатор и SRR, перемещается вверх, как показано на фиг. 8a; соответственно увеличивается амплитуда пика пропускания.

Смоделированные спектры метаматериала ЭИТ терагерцового диапазона с проводящей связью a когда точка, соединяющая стержневой резонатор и SRR, перемещается вверх, b когда соединительный стержень в середине изогнут, c когда точка, соединяющая стержневой резонатор и SRR, перемещается наружу

На рис. 8b, когда соединительный стержень в середине изгибается, что необходимо для подготовки к перемещению точки соединения наружу, частота области поглощения EIT становится выше с увеличением угла изгиба. Когда угол изгиба увеличивается, больше частей пути проводимости соединяются параллельно, то есть путь проводимости становится шире, что аналогично эффекту прохождения через более короткий путь проводимости. Путь проводимости становится короче, резонансная длина волны становится меньше, а резонансная частота становится выше. Это также объясняет, почему резонансная частота на Рис. 7 выше, чем на Рис. 3. На Рис. 8c, когда точка соединения перемещается наружу, асимметрия уменьшается, скорости заряда и разряда C ₁ по двум путям стремятся быть одинаковыми; разность потенциалов становится меньше, и интенсивность темной моды постепенно ослабевает, что приводит к снижению пика пропускания EIT. Это также отражает то, что чем больше разница между двумя путями вдоль SSR после разветвления от точки соединения, тем сильнее эффект EIT.

Мы также выделили структуру EIT проводящего метаматериала и исследовали ее отдельно. На рисунке 9 показаны смоделированные и измеренные спектры различных компонентов конструкции. Как показано на рис. 9a, комбинированная структура металлического стержня и внешней части SRR создает значительный резонанс на 0,72 ТГц при возбуждении электрическим полем, поляризованным вдоль y -ось. На рис. 9г показано распределение поверхностного тока при наведении резонанса этой структуры; это похоже на распределение, показанное на рис. 5а.

Смоделированные и измеренные спектры различных компонентов терагерцового метаматериала ЭИТ с проводящей связью: a комбинированная конструкция металлического стержня и внешней части SRR, b Комбинация SRR, c комбинированная конструкция металлического стержня и внутренней части SRR; Микроскопические изображения изготовленных компонентов также вставляются в соответствующие спектры; д-е Поверхностные токи соответствующих резонансов в a-c

Хотя направление разное, общая тенденция поверхностного тока считается одинаковой, потому что падающее электромагнитное поле колеблется взад и вперед. На рис. 9б показаны спектры комбинации SRR при возбуждении падающим светом с различной поляризацией. Когда электрическое поле поляризовано перпендикулярно направлению разделенного зазора, резонанс не возникает в диапазоне 0,5–1 ТГц, и передача остается на высоком уровне. Когда электрическое поле поляризовано параллельно зазорам SRR, возникает резонанс на 0,78 ТГц. На рис. 9д показано распределение поверхностного тока при возбуждении этого резонанса. Поверхностный ток циркулирует взад и вперед по поверхности SRR, подобно распределению, показанному на рис. 5b. Однако направление потока двух вихревых поверхностных токов на рис. 5b зеркально симметрично относительно y -оси, тогда как поверхностные токи вихрей на рис. 5д имеют то же направление. Это связано с тем, что на рис. 9e резонансы двух SRR индуцируются одним и тем же электрическим полем. Следовательно, направление поверхностного тока вихря одинаково. Однако на рис. 5b как структура предложенного метаматериала, так и направления разности потенциалов, генерируемой в разделенных зазорах двух SRR, зеркально симметричны относительно y -оси, тем самым делая возбужденный поверхностный ток зеркально-симметричным относительно y - ось. Разница в частотах (0,76 ТГц против 0,78 ТГц) может быть связана с тем, что вихревой поверхностный ток в проводящем метаматериале не строго распределен только в SRR, а удлинение пути проводимости приводит к увеличению резонансная длина волны, тем самым делая частоту пика EIT (0,76 ТГц) немного ниже резонансной частоты LC комбинации SRR (0,78 ТГц). Как показано на рис. 9c, комбинированная структура металлического стержня и внутренней части SRR создает значительный резонанс на 0,79 ТГц под действием электрического поля, возбуждаемого вдоль y -ось. На рисунке 9f показано распределение поверхностного тока при наведении резонанса этой структуры, демонстрирующее типичный резонанс LSP. Резонансы вышеупомянутых компонентов соответствуют условиям провала низкочастотной передачи, пика передачи EIT и высокочастотного провала соответственно.

Заключение

В заключение мы предложили металлический метаматериал EIT терагерцового диапазона с токопроводящей связью, в котором антенны светлой и темной мод соединены в виде вилкообразной структуры. Алюминиевая фольга, которая очень дешева и часто используется в пищевых упаковках, используется для изготовления наших метаматериалов. Для анализа его механизма был проведен численный и экспериментальный анализ. Поверхностный ток из-за резонанса LSP (светлая мода) течет по разным путям. Из-за асимметрии точки соединения относительно щелевого промежутка SRR, в промежутках SRR создается разность потенциалов. Это эквивалентно возбуждению внешнего электромагнитного поля с поляризацией электрического поля вдоль щелевого промежутка. Таким образом, индуцируется ЖК-резонанс (темная мода), а яркая мода подавляется, что приводит к EIT. Предлагаемая структура взаимодействует посредством поверхностных проводящих токов. Это может дать новые идеи для структурного проектирования метаматериалов EIT. Более того, процесс изготовления микроструктур на гибких подложках может служить ориентиром для создания гибких микроструктур в будущем.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

EIT:

Электромагнитная прозрачность

LC:

индуктивно-емкостный

SRR:

Разъемные кольцевые резонаторы

LSP:

Локализованный поверхностный плазмон

Q-фактор:

Фактор качества

ПЭТ:

Полиэтилентерефталат

THz-TDS:

Терагерцовая спектроскопия во временной области