Split-ring resonator

Ett exempel på delad ringresonator som består av en inre kvadrat med en splittring på ena sidan inbäddad i en yttre kvadrat med en split på den andra sidan. Resonatorer med delad ring finns på de främre och högra ytorna av det kvadratiska rutnätet, och enstaka vertikala ledningar finns på baksidan och vänster yta.

Elektriskt fält (överst) och magnetfält (botten) av en elektrisk-SRR under resonant elektrisk excitation. Det magnetiska svaret uppstår ^{[ tveksamt – diskutera ]} från strömslingornas symmetri.

En split-ring resonator ( SRR ) är en artificiellt framställd struktur som är gemensam för metamaterial . Dess syfte är att producera den önskade magnetiska susceptibiliteten (magnetisk respons) i olika typer av metamaterial upp till 200 terahertz .

Dessa medier skapar den nödvändiga starka magnetiska kopplingen till ett applicerat elektromagnetiskt fält , som annars inte är tillgängligt i konventionella material. Till exempel produceras en effekt såsom negativ permeabilitet med en periodisk uppsättning av delade ringresonatorer.

En enda cell SRR har ett par inneslutna slingor med splittringar i dem vid motsatta ändar. Slingorna är gjorda av omagnetisk metall som koppar och har ett litet mellanrum mellan dem. Slingorna kan vara koncentriska eller fyrkantiga och gapade efter behov. Ett magnetiskt flöde som penetrerar metallringarna kommer att inducera roterande strömmar i ringarna, som producerar sitt eget flöde för att förstärka eller motverka det infallande fältet (beroende på SRR-resonansegenskaperna). Detta fältmönster är dipolärt . De små gapen mellan ringarna ger stora kapacitansvärden som sänker resonansfrekvensen . Därför är dimensionerna på strukturen små jämfört med resonansvåglängden . Detta resulterar i låga strålningsförluster och mycket höga kvalitetsfaktorer .

Bakgrund

En delad ringresonator. Lägg märke till att strömmen, betecknad med den lilla bokstaven "i", är i medurs riktning.

Delade ringresonatorer (SRR) består av ett par koncentriska metallringar, etsade på ett dielektriskt substrat, med slitsar etsade på motsatta sidor. SRR kan ge en effekt av att vara elektriskt mindre när de svarar på ett oscillerande elektromagnetiskt fält . Dessa resonatorer har använts för syntes av vänsterhänta och negativa brytningsindexmedia, där det nödvändiga värdet av den negativa effektiva permeabiliteten beror på närvaron av SRR. När en grupp av elektriskt små SRR exciteras med hjälp av ett tidsvarierande magnetfält , beter sig strukturen som ett effektivt medium med negativ effektiv permeabilitet i ett smalt band ovanför SRR- resonans . SRR har också kopplats till plana transmissionsledningar för syntes av metamaterials transmissionsledningar .

Den delade ringresonatorn var en mikrostrukturdesign som presenterades i tidningen av Pendry et al 1999 kallad "Magnetism from Conductors and Enhanced Nolinear Phenomena". Den föreslog att resonatordesignen med delad ring, byggd av icke-magnetiskt material, skulle kunna förbättra den magnetiska aktiviteten som inte syns i naturliga material. I den enkla mikrostrukturkonstruktionen visas att i en grupp av ledande cylindrar, med ett applicerat externt $H_{0}$ -fält parallellt med cylindrarna, kan den effektiva permeabiliteten skrivas som följande. (Denna modell är mycket begränsad och den effektiva permeabiliteten kan inte vara mindre än noll eller större än en.)

\mu _{eff}=1-{\frac {\pi r^{2}}{a ^{2}}}\ \left(1+i{\frac {2\sigma }{\omega r\mu _{0}}}\ \right)^{-1}

Där $\sigma$ är motståndet för cylinderytan per ytenhet, a är avståndet mellan cylindrarna, $\omega$ är vinkelfrekvensen, $\mu _{0}$ är permeabiliteten för fritt utrymme och r är radien. Dessutom, när luckor introduceras till en dubbelcylindrig design som liknar bilden ovan, ser vi att luckorna producerar en kapacitans. Denna kondensator- och induktormikrostrukturdesign introducerar en resonans som förstärker den magnetiska effekten. Den nya formen av den effektiva permeabiliteten liknar ett välbekant svar som är känt i plasmoniska material.

\mu _{eff}=1-{\frac {{\frac {\pi r^{2}}{a^{2}}}\}{1+{\frac {2\sigma i}{\omega r\mu _{0}}}\ -{\frac {3dc_ {0}^{2}}{\pi ^{2}\omega ^{2}r^{3}}}\ }}\

Där d är avståndet mellan de koncentriska ledande arken ^{[ förtydligande behövs ]} . Den slutliga designen ersätter de dubbla koncentriska cylindrarna med ett par platta koncentriska c-formade plåtar, placerade på varje sida av en enhetscell. Enhetscellerna staplas ovanpå varandra med en längd, l. Det slutliga resultatet av den effektiva permeabiliteten kan ses nedan.

\mu _{eff}=1 -{\frac {{\frac {\pi r^{2}}{a^{2}}}\ }{1+{\frac {2l\sigma _{1}i}{\omega r\mu _ {0}}}\ -{\frac {3lc_{0}^{2}}{\pi \omega ^{2}r^{3}ln({\frac {2c}{d}}\ )}} \ }}\

där c är tjockleken på det c-formade arket och $\sigma$ är resistansen av längdenhet för arken mätt runt omkretsen.

Egenskaper

Den delade ringresonatorn och själva metamaterialet är kompositmaterial. Varje SRR har ett individuellt anpassat svar på det elektromagnetiska fältet. Men den periodiska konstruktionen av många SRR-celler är sådan att den elektromagnetiska vågen interagerar som om dessa vore homogena material . Detta liknar hur ljus faktiskt interagerar med vardagliga material; material som glas eller linser är gjorda av atomer, en medelvärde eller makroskopisk effekt uppstår.

SRR är designad för att efterlikna atomernas magnetiska respons ^{[ förtydligande behövs ]} , bara i mycket större skala. Som en del av periodisk sammansatt struktur är dessa också utformade för att ha en starkare magnetisk koppling än vad som finns i naturen. Den större skalan möjliggör mer kontroll över det magnetiska svaret, medan varje enhet är mindre än den utstrålade elektromagnetiska vågen .

SRR är mycket mer aktiva ^{[ förtydligande behövs ]} än ferromagnetiska material som finns i naturen. Det uttalade magnetiska svaret i sådana lätta material ^{[ förtydligande behövs ]} visar en fördel jämfört med tyngre, naturligt förekommande material. Varje enhet kan designas för att ha sin egen magnetiska respons. Responsen kan förbättras eller minskas efter önskemål. Dessutom minskar den totala effekten effektbehovet.

SRR-konfiguration

Det finns en mängd olika delade ringresonatorer och periodiska strukturer: stav-delade-ringar, kapslade delade ringar, enkla delade ringar, deformerade delade ringar, spiraldelade ringar och utökade S-strukturer. Variationerna av delade ringresonatorer har uppnått olika resultat, inklusive mindre och högre frekvensstrukturer. Forskningen som involverar några av dessa typer diskuteras i hela artikeln.

Hittills (december 2009) har förmågan för önskade resultat i det synliga spektrumet inte uppnåtts. Men 2005 noterades det att fysiskt måste en kapslad cirkulär delad ringresonator ha en inre radie på 30 till 40 nanometer för att lyckas i mitten av det synliga spektrumet. Mikrotillverknings- och nanotillverkningstekniker kan använda direkt laserstråleskrivning eller elektronstrålelitografi beroende på önskad upplösning.

Olika konfigurationer

En resonatoruppsättning med delad ring är konfigurerad som ett material som producerar negativt brytningsindex . Den var konstruerad av resonatorer med splitring av koppar och ledningar monterade på sammankopplade ark av glasfiberkretskort. Den totala arrayen består av 3 gånger 20×20 enhetsceller med övergripande dimensioner på 10×100×100 mm.

Split-ring resonatorer (SRR) är ett av de vanligaste elementen som används för att tillverka metamaterial . Splitringresonatorer är icke-magnetiska material, som ursprungligen tillverkades av kretskortmaterial för att skapa metamaterial.

Om man tittar på bilden direkt till höger kan man se att en enda SRR först ser ut som ett föremål med två kvadratiska omkretsar, där varje omkrets har en liten sektion borttagen. Detta resulterar i kvadratiska "C"-former på kretskortsmaterial av glasfiber . I denna typ av konfiguration är det faktiskt två koncentriska band av icke-magnetiskt ledarematerial . Det finns ett mellanrum i varje band placerat 180° i förhållande till varandra. Spalten i varje band ger den den distinkta "C"-formen, snarare än en helt cirkulär eller fyrkantig form. Sedan tillverkas flera celler av denna dubbelbandskonfiguration på kretskortsmaterial genom en etsningsteknik och fodras med koppartrådsuppsättningar. Efter bearbetning skärs skivorna och sätts ihop till en sammankopplande enhet. Den är konstruerad till en periodisk array med ett stort antal SRR.

Det finns nu ett antal olika konfigurationer som använder SRR-nomenklaturen.

Demonstrationer

En periodisk array av SRR användes för den första demonstrationen av ett negativt brytningsindex . För denna demonstration tillverkades kvadratiska SRR:er , med de fodrade trådkonfigurationerna, till en periodisk, arrayerad cellstruktur. Detta är substansen i metamaterialet. Sedan skars ett metamaterialprisma från detta material . Prismaexperimentet visade ett negativt brytningsindex för första gången år 2000; Uppsatsen om demonstrationen skickades till tidskriften Science den 8 januari 2001, godkändes den 22 februari 2001 och publicerades den 6 april 2001.

Strax före detta prismaexperiment, Pendry et al. kunde visa att en tredimensionell uppsättning av korsande tunna trådar kunde användas för att skapa negativa värden på ε. I en senare demonstration kunde en periodisk uppsättning av koppardelade resonatorer producera en effektiv negativ μ. År 2000 Smith et al. var de första som framgångsrikt kombinerade de två arrayerna och producerade ett så kallat vänsterhänt material , som har negativa värden på ε och μ för ett frekvensband i GHz-området.

SRR användes först för att tillverka vänsterhänta metamaterial för mikrovågsområdet och flera år senare för terahertz -området. År 2007 har experimentell demonstration av denna struktur vid mikrovågsfrekvenser uppnåtts av många grupper. Dessutom har SRR använts för forskning inom akustiska metamaterial. De arrangerade SRR:erna och ledningarna från det första vänsterhänta metamaterialet smältes samman i alternerande lager. Detta koncept och metodik applicerades sedan på (dielektriska) material med optiska resonanser som producerade negativ effektiv permittivitet för vissa frekvensintervall vilket resulterade i " fotoniska bandgap- frekvenser". En annan analys visade att vänsterhänta material var tillverkade av inhomogena beståndsdelar, vilket ändå resulterar i ett makroskopiskt homogent material. SRR hade använts för att fokusera en signal från en punktkälla , vilket ökade överföringsavståndet för närfältsvågor . Dessutom visade en annan analys SRR med ett negativt brytningsindex som kan högfrekvent magnetisk respons , vilket skapade en konstgjord magnetisk anordning bestående av icke-magnetiska material (dielektriskt kretskort).

Resonansfenomenen som uppstår i detta system är väsentliga för att uppnå de önskade effekterna.

SRR:er uppvisar också resonant elektriskt svar utöver deras resonansmagnetiska svar. Gensvaret, när det kombineras med en grupp av identiska trådar, beräknas som medelvärde över hela den sammansatta strukturen, vilket resulterar i effektiva värden, inklusive brytningsindex. Den ursprungliga logiken bakom SRRs specifikt, och metamaterial i allmänhet var att skapa en struktur, som imiterar en arrayed atomic struktur endast i mycket större skala.

Flera typer av SRR

I forskning baserad på metamaterial, och specifikt negativt brytningsindex , finns det olika typer av split-ring resonatorer. Av de exempel som nämns nedan har de flesta alla en lucka i varje ring. Med andra ord, med en dubbel ringstruktur har varje ring ett gap.

Det finns en 1-D Split-Ring-struktur med två fyrkantiga ringar, den ena inuti den andra. En uppsättning av citerade " enhetscell " -dimensioner skulle vara en yttre kvadrat på 2,62 mm och en inre kvadrat på 0,25 mm. 1-D-strukturer som denna är lättare att tillverka jämfört med att konstruera en styv 2-D-struktur.

Den symmetriska ringstrukturen är ett annat klassiskt exempel. Beskrivna av nomenklaturen är dessa två rektangulära kvadratiska konfigurationer av D-typ, exakt samma storlek, liggande platt sida vid sida i enhetscellen . Dessa är inte heller koncentriska . En uppsättning citerade mått är 2 mm på den kortare sidan och 3,12 mm på den längre sidan. Mellanrummen i varje ring är vända mot varandra, i enhetscellen.

Omega - strukturen , som nomenklaturen beskriver, har en Ω-formad ringstruktur. Det finns två av dessa, som står vertikalt, sida vid sida, istället för att ligga platt, i enhetscellen. 2005 ansågs dessa vara en ny typ av metamaterial. En uppsättning citerade dimensioner är ringformiga parametrar på R=1,4 mm och r=1 mm, och den raka kanten är 3,33 mm.

Ett annat nytt metamaterial 2005 var en kopplad "S"-formad struktur. Det finns två vertikala "S"-formade strukturer, sida vid sida, i en enhetscell. Det finns inget gap som i ringstrukturen, men det finns ett mellanrum mellan den övre och mitten delen av S och mellanrum mellan den mittre delen och den nedre delen av S. Dessutom har den fortfarande egenskaperna att ha en elektrisk plasmafrekvens och en magnetisk resonansfrekvens.

Andra typer av delade ringresonatorer är spiralresonatorn med 8 slingor. bredsida kopplad split-ring resonator (BC-SRR). Tvåskikts multispiralresonator (TL-MSR), den bredsidiga kopplade spiralresonatorn med fyra varv, den komplementära delade ringresonatorn, den öppna delade ringresonatorn (OSRR) och den öppna komplementära delade ringresonatorn (OCSRR) . Transmissionsledningskonfigurationer inkluderar SRR-baserad CRLH (komposit högervänsterhänt) transmissionsledning och dess motsvarande komplement.

Forskning

Den 1 maj 2000 placerades ledande ledningar symmetriskt inuti varje cell i en periodisk delad ringresonatoruppsättning som uppnådde negativ utbredning av elektromagnetiska vågor i mikrovågsområdet . Konceptet användes och används fortfarande för att bygga interagerande element som är mindre än den applicerade elektromagnetiska strålningen. Dessutom är avståndet mellan, kallat gitterkonstanten, också mindre än den applicerade strålningen.

Dessutom tillåter splittringarna i ringen att SRR-enheten uppnår resonans vid våglängder som är mycket större än ringens diameter. Enheten är utformad för att generera en stor kapacitans, sänka resonansfrekvensen och koncentrera det elektriska fältet. Att kombinera enheter skapar en design som ett periodiskt medium. Dessutom har flerenhetsstrukturen stark magnetisk koppling med låga strålningsförluster. Forskning har också täckt variationer i magnetiska resonanser för olika SRR-konfigurationer. Forskningen har fortsatt på terahertzstrålning med SRR. Annat relaterat arbete skapade metamaterialkonfigurationer med fraktaler och icke-SRR-strukturer. Dessa kan konstrueras med material som periodiska metalliska korsningar eller en ständigt bredare koncentrisk ringstruktur som kallas schweizerrullar. Permeabiliteten för endast den röda våglängden vid 780 nm har analyserats och tillsammans med annat relaterat arbete.

Se även

Akademiska tidskrifter

Metamaterial (tidskrift)

Metamaterialböcker

Vidare läsning

Ates, Damla; Cakmak, Atilla Ozgur; Colak, Evrim; Zhao, Rongkuo; Soukoulis, CM; Ozbay, Ekmel (2010). "Överföringsförbättring genom djupa subvåglängdsöppningar med hjälp av anslutna delade ringresonatorer" ( gratis PDF-nedladdning) . Optik Express . 18 (4): 3952–66. Bibcode : 2010OExpr..18.3952A . doi : 10.1364/OE.18.003952 . hdl : 11693/13284 . PMID 20389408 .
Shepard, KW et al. Delad ringresonator för Argonne Superconducting Heavy Ion Booster . IEEE Transactions on Nuclear Science, VoL. NS-24, N0.3, JUNI 1977.

externa länkar

Video: John Pendry föreläsning: The science of invisibility april 2009, SlowTV
Split Ring Resonator Calculator : Onlineverktyg för att beräkna LC-ekvivalentkretsen och resonansfrekvensen för SRR- och CSRR-topologier.