저렴한 알루미늄 호일을 사용하여 전도성으로 결합된 유연한 메타물질의 전자기 유도 투명도 실험 시연

결과 및 토론

그림 3은 전도성 결합 테라헤르츠 금속 메타물질의 시뮬레이션 및 측정된 주파수 스펙트럼을 각각 검은색 실선과 파란색 점선으로 표시한 것입니다. 구조의 현미경 이미지도 옆에 표시됩니다. 측정된 곡선과 시뮬레이션 결과가 잘 일치합니다. 제작된 메타물질은 약 0.76THz에서 투과 피크를 나타냅니다. 측정된 EIT 피크는 시뮬레이션(0.7)에서 결정된 것보다 낮은 약 0.15–0.45 범위에 있습니다. 반치폭(FWHM)에 대한 전송 피크의 중심 주파수의 비율에 따르면 모의 스펙트럼의 Q-factor는 17.5이며 손실 및 측정 정확도로 인해 실험 결과에서 약 12로 감소합니다. 한편, 금속 막대 공진기와 금속 SRR이 근거리 결합을 통해 상호 작용하는 기존 구조와 전도성 결합 테라헤르츠 메타 물질을 비교하기 위해 막대 공진기가 SRR에서 분리된 샘플을 제작하고 테스트했습니다. 그림 3은 각각 빨간색 실선과 분홍색 점선을 사용하여 표시된 기존 구조의 시뮬레이션 및 측정된 주파수 스펙트럼을 보여줍니다. 기존의 분리 구조의 경우 0.5~1THz의 주파수 범위에서 EIT 현상이나 공진이 발생하지 않습니다. 이에 비해 우리는 전도성 EIT 메타물질의 메커니즘이 기존의 분리된 구조의 메커니즘과 다르다는 것을 발견했습니다.

전도성 결합 테라헤르츠 메타물질의 시뮬레이션 및 측정된 스펙트럼과 막대 공진기가 SRR과 분리된 기존의 스펙트럼. 해당 구조의 현미경 이미지도 옆에 표시됩니다.

실험 결과는 대부분 시뮬레이션 결과와 일치하지만 약간의 차이가 있습니다. 우리는 그림 4와 같이 결과에 대한 다양한 매개변수의 영향을 분석하고 시뮬레이션했습니다.

a의 다양한 구조적 매개변수를 갖는 전도성 결합 테라헤르츠 메타물질의 시뮬레이션된 스펙트럼 알루미늄의 전도성; ㄴ 알루미늄 스트립 및 SRR의 선 너비; ㄷ 정사각형 SRR의 길이 d 알루미늄 막대의 길이

먼저 메타물질 구조는 알루미늄으로 구성된다. 금속 알루미늄 표면은 조밀한 산화피막을 형성하는 경향이 있어 구조의 전도성을 감소시키고 구조의 전도성 결합 효과를 약화시키는 것으로 잘 알려져 있습니다. 메타 물질 EIT 현상에 대한 전도도의 영향은 그림 4a에 나와 있습니다. 전도도가 감소함에 따라(기존 3.56 × 10 ⁷ S/m ~ 3.56 × 10 ⁵ S/m), EIT 진폭은 크게 감소하고 주파수는 0.76에서 0.72THz로 약간 이동합니다. 또한 제작된 메타물질의 크기도 현미경으로 측정했다. 제작된 구조물의 크기와 시뮬레이션 과정에서 설정한 매개변수 사이에는 약간의 차이가 있음을 알 수 있습니다. 여기에 몇 가지 분명한 차이점이 나열되어 있습니다. 알루미늄 스트립과 SRR의 선 너비 w , (6.5~7.5 μm)는 설계치(8 μm)보다 가늘고 정사각형 SRR의 길이는 a , (43~41 μm)가 설계치(45 μm)보다 작음, 알루미늄 바의 길이, L , (61~62μm)는 설계치(65μm)보다 짧습니다. w의 영향 , 아 , 및 L EIT 효과에 대한 효과는 각각 그림 4b, c에 나와 있습니다. 그림 4b와 같이 w 감소하면 EIT 현상의 빈도가 감소합니다. 매개변수 w 이후 SSR과 금속 막대 구조를 모두 포함하는 경우 이 매개변수의 변경은 EIT의 흡수 주파수와 전송 주파수의 이동을 유발합니다. 도 4c, d에서 a와 같이 그리고 L 감소하면 EIT 현상의 투과 피크와 흡수 범위가 각각 청색 편이로 나타나며, 즉 주파수가 증가합니다. 실험과 시뮬레이션의 이러한 모든 차이점의 조합은 궁극적으로 실제 측정된 스펙트럼과 시뮬레이션된 스펙트럼의 차이로 이어졌습니다. 또한, Fig. 4에서 파라미터의 변화로 인한 흡수영역의 주파수 편이와 전송 피크에 따라, 비록 명암모드 안테나가 구조에 집적되어 있지만, 엄격한 이 두 가지 모드 주파수를 서로 일치시키려면 두 안테나의 크기에 대한 요구 사항이 필요합니다.

전도성 메타물질의 EIT 형성 메커니즘을 추가로 분석하기 위해 왼쪽과 같이 EIT 피크 주파수(0.76THz)와 전송 딥(0.71 및 0.81THz)에서 표면 전류와 전기장 분포를 시뮬레이션했습니다. 각각 도 5의 우측. 그림 5a와 같이 표면 전류는 SRR의 외부 금속 암에서 막대 공진기로 흐릅니다. 이것은 입사 전기장의 분극 방향과 일치합니다. 즉, y를 따라 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 - 축이 앞뒤로 진동하므로 전형적인 LSP 공진을 나타냅니다.

다양한 주파수에서의 표면 전류:a EIT 피크 주파수, b 더 낮은 주파수의 전송 딥, c 더 높은 주파수로 전송 딥. 다양한 주파수에서의 전기장 분포:d EIT 피크 주파수, e 더 낮은 주파수로 전송 딥에서 전기장 분포. 에 더 높은 주파수로 전송 딥에서 전기장 분포

그림 5b는 EIT 주파수(0.76THz)에서 표면 전류 분포를 보여줍니다. 소용돌이 표면 전류는 주로 SRR에 집중되어 기본 LC 공진 및 LSP 공진 억제를 나타냅니다. 더 높은 주파수(0.81THz)에서 두 번째 전송 딥에 대해, 표면 전류 분포는 y를 따라 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지입니다. -축 방향, 그림 5c와 같이 LSP 공진을 나타냅니다. 그러나 표면 전류는 SRR의 내부 금속 암을 통해 흐릅니다. 도 5a에 도시된 경로와 비교하여, 도 5c에 도시된 표면 전류의 전도 경로는 더 짧은 공진 파장 및 더 높은 공진 주파수에 상응한다. 그림 5e, d 및 f는 EIT 전송 피크와 EIT 피크 외에 두 개의 전송 딥 주파수에서 전계 분포를 보여줍니다. 그림 5e에서 전기장 에너지는 주로 SRR의 간격에 집중되어 있는 반면, 그림 5d와 f에서는 전기장 에너지가 주로 구조의 양 끝에 집중되어 있습니다. 이러한 현상은 각각의 표면 전류 분포에 해당합니다.

사실, 이 LC 공진(다크 모드)의 발생은 회로에 대한 지식으로도 설명할 수 있습니다. LSP 공진(밝은 모드)이 여기되면 표면 전류는 y를 따라 앞뒤로 진동합니다. -중심선. 막대 공진기와 SRR을 연결하는 지점으로 전류가 흐르면 전도 경로에 분기가 있습니다. 전류는 접합부에서 두 개의 전도성 경로를 통해 SRR의 분할 간격으로 흐릅니다. 경로 중 하나는 SRR 외부의 금속 암을 따라 있으며, 이는 그림 5a에 표시된 표면 전류의 흐름 방향과 일치합니다. 다른 하나는 그림 5c와 같이 SRR 내부의 금속 암을 통해 이루어집니다. 여기서 이러한 현상은 SRR의 슬릿을 충방전하는 과정에 비유할 수 있다. 실제로 금속 막대와 SRR의 결합 공진기를 RLC 회로로 모델링한 문헌이 이미 있었고[23], "LC 공진"의 개념이 수년 동안 활용되어 왔다[45, 51]. 금속성 SRR의 슬릿은 커패시터로 간주할 수 있습니다. 금속 암에 표면 전류가 흐를 때 금속의 전도도는 높지만 여전히 약간의 저항이 존재합니다. 더욱이, 전자기파의 고주파수 진동하에서 표면 전류의 고속 변화에 일정한 방해가 있다. 즉, 인덕턴스가 있습니다. 금속 암의 저항과 인덕턴스는 금속 암의 길이에 비례합니다. 분기 후 외측과 내측의 두 경로가 비대칭인 경우 그림 6a와 같이 R ₁ R의 합보다 작음 ₂ 및 R ₃ , 및 L ₁ L의 합보다 작습니다. ₂ 그리고 L ₃ . 따라서 C ₁ 충전 및 방전 시 두 경로의 속도는 항상 다르므로 SRR의 분할 간격에서 전위차가 발생합니다. 이것은 SRR의 분할 갭에 적용된 추가 전기 여기와 동일하며 분할 갭을 따라 분극된 전기장으로 SRR에 적용된 외부 전자기장 여기와 유사합니다. SRR의 LC 공진 모드는 입사 전기장이 분할 간격을 따라 분극화될 때 여기될 것이라는 것은 잘 알려져 있습니다.

접합이 위치하는 전도성 결합 테라헤르츠 메타물질의 응답을 모델링하는 전기 회로 a SRR의 수직 중심선의 한쪽에; ㄴ SRR의 수직 중심선에

그러나 막대 공진기와 SRR을 연결하는 지점이 그림 6b와 같이 SRR의 수직 중심선에 위치하면 분기 후 외부와 내부의 두 경로가 대칭입니다. 이 경우 R ₁ ' =R ₃ ', 엘 ₁ ' =L ₃ '. 따라서 두 경로의 충방전 속도는 항상 동일하며 전위차도 없습니다.

위의 추측을 검증하기 위해 우리는 막대 공진기와 SRR을 연결하는 지점이 SRR의 수직 중심선에 위치하는 또 다른 메타 물질을 설계하고 제작했습니다. 따라서 두 전도 경로의 길이, 즉 SRR 외부 또는 내부의 금속 암을 따라 흐르는 전류는 동일할 수 있습니다. 그림 7a는 이 메타물질의 시뮬레이션 및 측정된 스펙트럼을 보여줍니다. 구조의 현미경 이미지도 옆에 삽입됩니다. 시뮬레이션 결과와 실험 결과 모두 이 주파수 범위에서만 공진이 있음을 보여줍니다. 실험적으로 측정된 공진 주파수(약 0.85THz)는 주로 실험 오차로 인해 시뮬레이션된 공진 주파수(약 0.87THz)와 약간의 편차가 있지만 측정된 곡선과 시뮬레이션 결과는 잘 일치합니다. 그림 7b는 이 구조의 공진이 유도될 때의 표면 전류 분포를 보여주며 전형적인 LSP 공진을 나타냅니다. 두 전도 경로의 거리가 같기 때문에 두 경로를 통한 전위 감소량도 동일합니다. 분할 갭에서 생성된 전위차가 없습니다. 따라서 LC 공진과 EIT 현상의 유사체가 형성될 수 없습니다.

아 접합이 SRR의 수직 중심선에 위치한 전도성 결합 테라헤르츠 메타물질의 시뮬레이션 및 측정된 스펙트럼. ㄴ 해당 공진의 표면 전류

이 LSP 공진(0.87 THz)의 주파수는 이전 구조보다 높다. 전류 구조에서 표면 전류는 두 개의 전도 경로를 통해 흐를 수 있기 때문입니다. 이것은 저항과 인덕턴스가 분기 중 하나보다 작은 병렬 회로와 같습니다. 이것은 더 짧은 전도 경로를 통과하는 효과와 동일합니다. 전도 경로가 짧아지고 공진 파장이 작아지며 공진 주파수가 높아집니다.

우리는 또한 두 전도 경로의 비대칭이 EIT 현상에 미치는 영향을 시뮬레이션했습니다. 결과는 그림 8에 나와 있습니다. 막대 공진기와 SRR을 연결하는 지점이 그림 8a와 같이 위쪽으로 이동할 때; 그에 따라 전송 피크의 진폭이 증가합니다.

전도성 결합 테라헤르츠 EIT 메타물질 a의 시뮬레이션된 스펙트럼 바 공진기와 SRR을 연결하는 지점이 위쪽으로 이동하면 b 가운데 연결바가 휘었을 때 c 바 공진기와 SRR을 연결하는 지점이 바깥쪽으로 이동할 때

Fig. 8b에서 연결점의 외부로의 이동을 대비하기 위해 중간의 연결봉을 구부렸을 때 굽힘 각도가 클수록 EIT의 흡수영역의 주파수가 높아지는 것을 알 수 있다. 굽힘 각도가 클수록 전도 경로의 더 많은 부분이 병렬로 연결됩니다. 즉, 전도 경로가 넓어지며 이는 더 짧은 전도 경로를 통과하는 것과 같은 효과입니다. 전도 경로가 짧아지고 공진 파장이 작아지며 공진 주파수가 높아집니다. 이것은 또한 그림 7의 공진 주파수가 그림 3의 공진 주파수보다 높은 이유를 설명합니다. 그림 8c에서 접합점이 바깥쪽으로 이동할 때 비대칭이 감소하고 C ₁ 두 경로를 따라 동일한 경향이 있습니다. 전위차가 작아지고 다크 모드의 강도가 점차 약해져 EIT의 전송 피크가 감소합니다. 이는 연결점에서 분기된 후 SSR을 따라 두 경로의 차이가 클수록 EIT의 효과가 더 강함을 반영합니다.

또한 전도성 메타물질 EIT 구조를 분리하여 별도로 연구했습니다. 그림 9는 구조의 다른 구성 요소에 대한 시뮬레이션 및 측정된 스펙트럼을 보여줍니다. 그림 9a에서 볼 수 있듯이 금속 막대와 SRR의 외부 부분이 결합된 구조는 y를 따라 분극된 전기장에 의해 여기될 때 0.72THz에서 상당한 공진을 생성합니다. -중심선. 그림 9d는 이 구조의 공진이 유도될 때 표면 전류 분포를 보여줍니다. 이는 그림 5a에 표시된 분포와 유사합니다.

전도성 결합 테라헤르츠 EIT 메타물질의 다양한 구성요소에 대한 시뮬레이션 및 측정된 스펙트럼:a 금속 막대와 SRR의 외부 부분의 결합 구조, b SRR 조합, c 금속 막대와 SRR의 내부 부분의 결합 구조; 제작된 부품의 현미경 이미지도 해당 스펙트럼에 삽입됩니다. d-f a-c의 해당 공진의 표면 전류

방향은 다르지만 입사 전자기장이 앞뒤로 진동하기 때문에 표면 전류의 전반적인 경향은 동일하다고 간주됩니다. 그림 9b는 편광이 다른 입사광 여기에서 SRR 조합의 스펙트럼을 보여줍니다. 전기장이 스플릿 갭 방향에 수직으로 분극되면 0.5-1THz 범위에서 공진이 발생하지 않으며 전송은 높은 수준을 유지합니다. 전기장이 SRR의 간격과 평행하게 분극되면 0.78THz에서 공진이 생성됩니다. 그림 9는 이 공진이 여기되었을 때의 표면 전류 분포를 보여줍니다. 표면 전류는 그림 5b에 표시된 분포와 유사하게 SRR 표면에서 앞뒤로 순환합니다. 그러나 그림 5b에서 두 와류 표면 전류의 흐름 방향은 y -축인 반면, 그림 5e에서 와류 표면 전류는 동일한 방향에 있습니다. 이는 그림 9e에서 두 SRR의 공진이 동일한 전기장에 의해 유도되기 때문이다. 따라서 소용돌이 표면 전류의 방향은 동일합니다. 그러나 그림 5b에서 제안된 메타물질의 구조와 두 SRR의 분할 갭에서 발생하는 전위차의 방향은 모두 y -축, 따라서 여기된 표면 전류를 y에 미러 대칭으로 만듭니다. - 축도. 주파수의 차이(0.76THz 대 0.78THz)는 전도성 메타물질의 와류 표면 전류가 SRR에서만 엄격하게 분포되지 않고 전도 경로의 신장이 따라서 EIT 피크(0.76THz)의 주파수를 SRR 조합의 LC 공진 주파수(0.78THz)보다 약간 더 낮게 만듭니다. 그림 9c와 같이 금속 막대와 SRR 내부의 결합 구조는 y를 따라 여기된 전기장에서 0.79THz에서 상당한 공진을 생성합니다. -중심선. 그림 9f는 이 구조의 공진이 유도될 때의 표면 전류 분포를 보여주며 전형적인 LSP 공진을 나타냅니다. 위에서 언급한 구성요소의 공진은 각각 저주파 전송 딥, EIT 전송 피크 및 고주파 딥의 조건에 해당합니다.