Terahertz metamaterial

Artiklar om
elektromagnetism
Solenoid
Elektrostatik
Magnetostatik
Elektrodynamik
Elektriskt nätverk
Kovariant formulering
Forskare

Ett terahertz-metamaterial är en klass av kompositmetamaterial utformade för att interagera vid terahertz- (THz)-frekvenser. Terahertz- frekvensområdet som används i materialforskning definieras vanligtvis som 0,1 till 10 THz .

Denna bandbredd är också känd som terahertz-gapet eftersom den är märkbart underutnyttjad. Detta beror på att terahertzvågor är elektromagnetiska vågor med frekvenser högre än mikrovågor men lägre än infraröd strålning och synligt ljus . Dessa egenskaper gör att det är svårt att påverka terahertzstrålning med konventionella elektroniska komponenter och apparater. Elektroniktekniken styr flödet av elektroner och är väl utvecklad för mikrovågor och radiofrekvenser . På samma sätt gränsar terahertzgapet också till optiska eller fotoniska våglängder ; de infraröda , synliga och ultravioletta områdena (eller spektrumen ), där välutvecklade linsteknologier också finns. Terahertz- våglängden , eller frekvensområdet , verkar dock vara användbar för säkerhetskontroll, medicinsk bildbehandling , trådlösa kommunikationssystem , oförstörande utvärdering och kemisk identifiering, såväl som submillimeterastronomi . Slutligen, som en icke-joniserande strålning har den inte de risker som är inneboende i röntgenscreening .

Om metamaterial

Terahertz-vågor ligger längst ut på det infraröda bandet, strax före starten av mikrovågsbandet.

För närvarande har en grundläggande brist på naturligt förekommande material som tillåter det önskade elektromagnetiska svaret lett till att man konstruerar nya konstgjorda kompositmaterial, kallade metamaterial . Metamaterialen är baserade på en gitterstruktur som efterliknar kristallstrukturer . Gitterstrukturen i detta nya material består emellertid av rudimentära element som är mycket större än atomer eller enstaka molekyler, men är en konstgjord snarare än en naturligt förekommande struktur. Ändå är interaktionen som uppnås under dimensionerna för terahertzstrålningsvågen . Dessutom är de önskade resultaten baserade på resonansfrekvensen hos tillverkade fundamentala element . Attraktionen och användbarheten härleds från ett resonanssvar som kan skräddarsys för specifika applikationer och kan styras elektriskt eller optiskt. Eller så kan svaret vara som ett passivt material .

Utvecklingen av elektromagnetiska, konstgjorda gitterstrukturerade material, kallade metamaterial, har lett till förverkligandet av fenomen som inte kan erhållas med naturliga material . Detta observeras till exempel med en naturlig glaslins , som interagerar med ljus (den elektromagnetiska vågen ) på ett sätt som ser ut att vara enhands, medan ljus levereras på ett tvåhandssätt. Med andra ord består ljus av ett elektriskt fält och magnetfält . Interaktionen mellan en konventionell lins , eller andra naturliga material, med ljus domineras kraftigt av interaktionen med det elektriska fältet (enhands). Den magnetiska interaktionen i linsmaterialet är i huvudsak noll. Detta resulterar i vanliga optiska begränsningar såsom en diffraktionsbarriär . Dessutom finns det en grundläggande brist på naturliga material som starkt interagerar med ljusets magnetfält. Metamaterial, en syntetisk kompositstruktur, övervinner denna begränsning. Dessutom kan valet av interaktioner uppfinnas och återuppfinnas under tillverkning, inom fysikens lagar . Därför breddas förmågan att interagera med det elektromagnetiska spektrumet, som är ljus.

Terahertz-teknik

Terahertz- frekvenser, eller submillimetervåglängder , som existerar mellan mikrovågsfrekvenser och infraröda våglängder kan metaforiskt benämnas "ohämtat territorium" där nästan inga enheter existerar. Eftersom det finns gränser för att sprida terahertz-bandet genom atmosfären, har den kommersiella sektorn inte varit inblandad i sådan teknisk utveckling. Emellertid har terahertz-anordningar varit användbara inom områdena för fjärravkänning och spektroskopi . Dessutom har en rik ådra av kunskap samlats in via submillimeterobservationstekniker. I synnerhet har tvärvetenskapliga forskare involverade i astronomi, kemi, geovetenskap , planetvetenskap och rymdvetenskap studerat termiska emissionslinjer för ett mångsidigt och stort sortiment av gasmolekyler . Mängden information som erhålls är specifikt mottaglig för just detta band av elektromagnetisk strålning . I själva verket är kosmos genomträngt av terahertz-energi, och under tiden verkar nästan allt vara förbisett, ignorerat eller helt enkelt oidentifierat.

Terahertz metamaterialenheter

Utvecklingen av metamaterial har korsat det elektromagnetiska spektrumet upp till terahertz och infraröda frekvenser, men inkluderar ännu inte det synliga ljusspektrumet . Det beror till exempel på att det är lättare att bygga en struktur med större grundelement som kan styra mikrovågor . De grundläggande elementen för terahertz- och infraröda frekvenser har gradvis skalats till mindre storlekar. I framtiden kommer synligt ljus att kräva att element skalas ännu mindre för att kunna kontrolleras av metamaterial.

Tillsammans med möjligheten att nu interagera vid terahertz- frekvenser är önskan att bygga, distribuera och integrera THz-metamaterialapplikationer universellt i samhället. Detta beror på att, som förklarats ovan, komponenter och system med terahertz-kapacitet kommer att fylla ett tekniskt relevant tomrum. Eftersom det inte finns några kända naturmaterial som kan åstadkomma detta, måste artificiellt konstruerade material nu ta deras plats.

Forskning har börjat med att först demonstrera det praktiska terahertz-metamaterialet. Dessutom, eftersom många material inte svarar på THz-strålning naturligt, är det nödvändigt att bygga de elektromagnetiska anordningarna som möjliggör konstruktionen av användbar tillämpad teknologi som arbetar inom detta område. Dessa är enheter som riktade ljuskällor , linser , switchar , modulatorer och sensorer . Detta tomrum inkluderar även fasförskjutnings- och strålstyrningsanordningar Verkliga tillämpningar i THz-bandet är fortfarande i sin linda

Måttliga framsteg har uppnåtts. Terahertz-metamaterialenheter har demonstrerats i laboratoriet som avstämbara fjärrinfraröda filter, optiska omkopplingsmodulatorer och metamaterialabsorbenter . Den senaste existensen av en terahertz-strålande källa i allmänhet är THz kvantkaskadlasrar , optiskt pumpade THz-lasrar, bakåtvågsoscillatorer (BWO) och frekvensmultiplicerade källor. Teknik för att kontrollera och manipulera THz-vågor släpar dock efter andra frekvensdomäner i ljusets spektrum.

Dessutom visar forskning om teknologier som använder THz -frekvenser kapaciteten för avancerade avkänningstekniker . I områden där andra våglängder är begränsade verkar THz-frekvenser fylla den närmaste framtidens lucka för framsteg inom säkerhet, folkhälsa , biomedicin , försvar , kommunikation och kvalitetskontroll inom tillverkning. Detta terahertz-band har utmärkelsen att vara icke-invasivt och kommer därför inte att störa eller störa strukturen hos det föremål som utstrålas. Samtidigt visar detta frekvensband kapacitet som att passera och avbilda innehållet i en plastbehållare , penetrera några millimeter av mänsklig hudvävnad utan skadliga effekter, passera genom kläder för att upptäcka dolda föremål på personal, och detektering av kemikalier och biologiska agens som nya metoder för att bekämpa terrorism . Terahertz-metamaterial, eftersom de interagerar vid lämpliga THz-frekvenser, verkar vara ett svar för att utveckla material som använder THz-strålning.

Forskare tror att konstgjorda magnetiska (paramagnetiska) strukturer, eller hybridstrukturer som kombinerar naturliga och konstgjorda magnetiska material, kan spela en nyckelroll i terahertz-enheter. Vissa THz-metamaterialenheter är kompakta kaviteter, adaptiv optik och linser, inställbara speglar, isolatorer och omvandlare .

Utmaningar inom detta område

Genererar THz elektromagnetisk strålning

Se även: Källor till Terahertz-strålning

Utan tillgängliga terahertz-källor hålls andra applikationer tillbaka. Däremot halvledarenheter blivit integrerade i vardagen. Detta betyder att kommersiella och vetenskapliga applikationer för att generera lämpliga frekvensband av ljus som står i proportion till halvledarapplikationen eller enheten är i stor användning. Synliga och infraröda lasrar är kärnan i informationsteknologin . Dessutom, i andra änden av spektrumet, möjliggör mikrovågs- ​​och radiofrekvenssändare trådlös kommunikation.

Emellertid är tillämpningar för terahertz-regimen, som tidigare definierats som terahertz-gapet på 0,1 till 10 THz, en fattig regim i jämförelse. Källor för att generera de erforderliga THz-frekvenserna (eller våglängden ) finns, men andra utmaningar hindrar deras användbarhet. Terahertz laserenheter är inte kompakta och saknar därför portabilitet och är inte lätta att integrera i system . Dessutom saknas solid state- terahertzkällor med låg strömförbrukning . Dessutom har de nuvarande enheterna också en eller flera brister med låg effekt , dålig inställningsförmåga och kan kräva kryogena vätskor för drift ( flytande helium ). Dessutom hindrar denna brist på lämpliga källor möjligheter inom spektroskopi , fjärranalys , kommunikation med fritt utrymme och medicinsk bildbehandling .

Samtidigt undersöks potentiella terahertz-frekvenstillämpningar globalt. Två nyligen utvecklade teknologier, Terahertz tidsdomänspektroskopi och kvantkaskadlasrar kan möjligen vara en del av en mängd utvecklingsplattformar över hela världen. De enheter och komponenter som är nödvändiga för att effektivt manipulera terahertzstrålning kräver dock mycket mer utveckling utöver vad som har åstadkommits hittills (2012).

Interaktion med magnetfält

Som kort nämnts ovan kan naturligt förekommande material som konventionella linser och glasprismor inte nämnvärt interagera med ljusets magnetfält . Den signifikanta interaktionen ( permittiviteten ) sker med det elektriska fältet . I naturmaterial kommer all användbar magnetisk interaktion att avta i gigahertzintervallet av frekvenser . Jämfört med interaktion med det elektriska fältet är den magnetiska komponenten omärklig när den befinner sig i terahertz , infrarött och synligt ljus . Så ett anmärkningsvärt steg inträffade med uppfinningen av ett praktiskt metamaterial vid mikrovågsfrekvenser, eftersom de rudimentära elementen i metamaterial har visat en koppling och induktiv respons på den magnetiska komponenten i proportion till den elektriska kopplingen och svaret. Detta visade förekomsten av en artificiell magnetism och applicerades senare på terahertz och infraröd elektromagnetisk våg (eller ljus). I terahertz- och infraröddomänen är det ett svar som inte har upptäckts i naturen.

Dessutom, eftersom metamaterialet tillverkas på konstgjord väg under varje steg och fas av konstruktionen, ger detta möjlighet att välja hur ljus, eller den elektromagnetiska terahertzvågen , ska färdas genom materialet och sändas . Denna grad av val är inte möjlig med konventionella material . Styrningen är också härledd från elektrisk-magnetisk koppling och respons av rudimentära element som är mindre än längden på den elektromagnetiska våg som färdas genom det sammansatta metamaterialet.

Elektromagnetisk strålning , som inkluderar ljus, bär energi och momentum som kan överföras till materia som den interagerar med. Strålningen och materien har ett symbiotiskt förhållande. Strålning verkar inte bara på ett material, inte heller påverkas det bara av ett givet material; strålning interagerar med materia.

Den magnetiska interaktionen, eller inducerade kopplingen, av vilket material som helst kan översättas till permeabilitet . Permeabiliteten hos naturligt förekommande material är ett positivt värde. En unik förmåga hos metamaterial är att uppnå permeabilitetsvärden mindre än noll (eller negativa värden), som inte är tillgängliga i naturen. Negativ permeabilitet uppnåddes först vid mikrovågsfrekvenser med de första metamaterialen. Några år senare visades negativ permeabilitet i terahertzregimen.

Material som kan kopplas magnetiskt är särskilt sällsynta vid terahertz eller optiska frekvenser.

Publicerad forskning som hänför sig till vissa naturliga magnetiska material säger att dessa material reagerar på frekvenser över mikrovågsområdet, men svaret är vanligtvis svagt och begränsat till ett smalt band av frekvenser. Detta minskar möjliga användbara terahertz-enheter. Det noterades att realiseringen av magnetism vid THz och högre frekvenser kommer att väsentligt påverka terahertz-optik och deras tillämpningar.

Detta har att göra med magnetisk koppling på atomnivå . Denna nackdel kan övervinnas genom att använda metamaterial som speglar atomär magnetisk koppling , på en skala av magnituder större än atomen.

De första THz-metamaterialen

De första terahertz-metamaterialen som kunde uppnå en önskad magnetisk respons, som inkluderade negativa värden för permeabilitet , var passiva material . På grund av detta uppnåddes "tuning" genom att tillverka ett nytt material, med något ändrade dimensioner för att skapa ett nytt svar. Men det anmärkningsvärda framstegen, eller praktiska prestationen, visar faktiskt manipulationen av terahertzstrålning med metamaterial .

För den första demonstrationen tillverkades mer än en metamaterialstruktur. Demonstrationen visade dock ett intervall på 0,6 till 1,8 terahertz. Resultaten ansågs också visa att effekten kan ställas in genom hela terahertzfrekvensregimen genom att skala strukturens dimensioner. Detta följdes av en demonstration vid 6 THz och 100 THz.

Med den första demonstrationen möjliggjorde skalning av element och avstånd framgång med terahertz-intervallet av frekvenser. Liksom med metamaterial i lägre frekvensområden var dessa element icke-magnetiska material, men var ledande element. Designen tillåter en resonans som uppstår med de elektriska och magnetiska komponenterna samtidigt. Och anmärkningsvärt är det starka magnetiska svaret från dessa konstgjorda material.

För att elementen ska svara vid resonans, vid specificerade frekvenser, arrangeras detta genom att specifikt designa elementet. Elementen placeras sedan i ett upprepande mönster, som är vanligt för metamaterial. I detta fall omfattar de nu kombinerade och arrangerade elementen, tillsammans med uppmärksamhet på avstånd, ett platt, rektangulärt, (plan) strukturerat metamaterial. Eftersom den designades för att fungera vid terahertz-frekvenser, används fotolitografi för att etsa elementen på ett substrat.

Magnetiska svar och brytningsindex

Ytterligare information: Paramagnetism och Split-ring resonator
Schematisk uppställning av ett ellipsometriexperiment .

Splitring -resonatorn (SRR) är ett vanligt metamaterial som används för en mängd olika experiment. Magnetiska svar ( permeabilitet ) vid terahertz- frekvenser kan uppnås med en struktur som består av icke-magnetiska element, såsom koppartråd SRR, som visar olika svar centrerade kring en resonansfrekvens. Resonatorer med delad ring visar en förmåga att ställa in över terahertz-regimen. Dessutom följer den repeterande strukturen som består av de ingående materialen samma strategi för att beräkna medelvärdet av det elektromagnetiska fältet eftersom det manipulerar och överför terahertzstrålningen. Denna medelvärdesteknik kallas ett effektivt mediumsvar .

Effektiv permeabilitet µ- eff förstärks från ringarnas induktans och kapacitansen uppstår vid mellanrummen i de delade ringarna. I detta terahertz-experiment används ellipsometri snarare än vågledare. Med andra ord, en ljuskälla i fritt utrymme sänder ut en polariserad strålning som sedan reflekteras från provet (se bilderna till höger). Den emitterade polarisationen är avsedd, och polarisationsvinkeln är känd. En polarisationsförändring reflekteras (från provmaterialet) mäts sedan. [ förtydligande behövs ] Information om fasskillnaden (om sådan finns) och den reflekterade polarisationen beaktas.

Cellmaterialets lokala magnetfält kan förstås som ett magnetiskt svar . Under resonans ökar det lokala magnetfältet. Detta magnetiska svar förblir i fas med det elektriska fältet. Eftersom SRR-cellen faktiskt är ett icke-magnetiskt material, är detta lokala magnetiska svar tillfälligt och kommer bara att behålla magnetiska egenskaper så länge som det finns ett externt applicerat magnetfält. Således kommer den totala magnetiseringen att sjunka till noll när det applicerade fältet tas bort. Dessutom är det lokala magnetiska svaret faktiskt en bråkdel av det totala magnetfältet. Denna fraktion är proportionell mot fältstyrkan och detta förklarar det linjära beroendet. Likaså finns det ett samlat linjärt svar över hela materialet. Detta tenderar att efterlikna justeringar och spinn på atomnivå.

Med ökande frekvens som närmar sig resonans över tid kan de inducerade strömmarna i den loopade tråden inte längre hålla jämna steg med det applicerade fältet och det lokala svaret börjar släpa. När sedan frekvensen ökar ytterligare släpar det inducerade lokala fältsvaret ytterligare tills det är helt ur fas med excitationsfältet. Detta resulterar i en magnetisk permeabilitet som faller under enhet och inkluderar värden mindre än noll. Den linjära kopplingen mellan det inducerade lokala fältet och det fluktuerande applicerade fältet står i kontrast till de icke-linjära egenskaperna hos ferromagnetism

Senare visades en magnetisk respons i dessa material vid 100 terahertz och i det infraröda regimen. Att bevisa det magnetiska svaret var ett viktigt steg mot att senare kontrollera brytningsindexet . Slutligen uppnåddes negativt brytningsindex för terahertz-våglängder vid 200 terahertz med användning av skiktpar metalliska nanorods parallellt. Detta arbete kompletteras också med ytplasmonstudier i terahertzregimen.

Arbetet fortsätter också med studier av tillämpning av externa kontroller såsom elektronisk switchning och halvledarstrukturer för att styra transmissions- och reflektionsegenskaper.

Omkonfigurerbara terahertz-metamaterial

Elektromagnetiska metamaterial visar löfte om att fylla Terahertz-gapet (0,1 – 10 THz). Terahertzgapet orsakas av två generella brister. För det första finns nästan inga naturligt förekommande material tillgängliga för tillämpningar som skulle använda terahertz-frekvenskällor . För det andra är oförmågan att översätta framgångarna med EM-metamaterial i mikrovågs- ​​och optisk domän till terahertz-domänen.

Dessutom har majoriteten av forskningen fokuserat på de passiva egenskaperna hos artificiell periodisk THz-överföring , som bestäms av mönstringen av metamaterialelementen, t.ex. effekterna av storleken och formen av inneslutningar, metallfilmtjocklek, hålgeometri, periodicitet, etc. Det har visat sig att resonansen också kan påverkas genom avsättning av ett dielektriskt skikt på metallhålsuppsättningarna och genom dopning av ett halvledarsubstrat, vilka båda resulterar i betydande förskjutning av resonansfrekvensen. Emellertid har lite arbete fokuserat på den "aktiva" manipuleringen av den extraordinära optiska transmissionen, även om det är väsentligt att realisera många tillämpningar.

Som svar på detta behov finns det förslag på "aktiva metamaterial" som proaktivt kan styra andelen transmissions- och reflektionskomponenter av källans (EM) strålning. Strategier inkluderar att belysa strukturen med laserljus, att variera ett externt statiskt magnetfält där strömmen inte varierar och att använda en extern förspänningskälla (halvledarstyrd). Dessa metoder leder till möjligheterna till högkänslig spektroskopi, generering av terahertz med högre effekt, säker THz-kommunikation med kort räckvidd, en ännu mer känslig detektering genom terahertz-funktioner. Dessutom inkluderar dessa utveckling av tekniker för känsligare terahertz-detektering och effektivare kontroll och manipulering av terahertzvågor.

Använder MEM-teknik

Genom att kombinera metamaterialelement - specifikt split-ringresonatorer - med mikroelektromekanisk systemteknik - har det möjliggjort skapandet av icke-planära flexibla kompositer och mikromekaniskt aktiva strukturer där orienteringen av de elektromagnetiskt resonanta elementen kan kontrolleras exakt med avseende på det infallande fältet.

Dynamiskt elektriskt och magnetiskt metamaterialsvar vid THz-frekvenser

Teorin, simuleringen och demonstrationen av ett dynamiskt svar av metamaterialparametrar visades för första gången med en plan array av delade ringresonatorer (SRR).

Undersökning av terahertz-metamaterialenheter

Terahertz-metamaterial möjliggör studiet av nya enheter.

Nya förstärkardesigner

Sektion av en terahertz , vikt-vågledare resande-våg rörkrets med hål arrayer på väggar. Bild från NASA Glenn Research Center.
Terahertz plan krets för vandringsvågrör med metamaterial inbäddat i substrat. Bild från NASA Glenn Research Center

I terahertz kompakta måttliga effektförstärkare finns inte tillgängliga. Detta resulterar i en region som är underutnyttjad, och bristen på nya förstärkare kan direkt tillskrivas en av orsakerna.

Forskningsarbete har involverat att undersöka, skapa och designa lätta långsamvågsvakuumelektronikenheter baserade på resande vågrörsförstärkare . Dessa är konstruktioner som involverar vikta vågledare , långsamma vågor, där terahertzvågen slingrar sig genom en serpentinbana medan den interagerar med en linjär elektronstråle. Utformningar av rör för vandringsvågledare med vikta vågledare har frekvenser på 670, 850 och 1030 GHz. För att förbättra effektbegränsningarna på grund av små dimensioner och hög dämpning, undersöks även nya plana kretsdesigner.

Internt arbete vid NASA Glenn Research Center har undersökt användningen av metamaterial – konstruerade material med unika elektromagnetiska egenskaper för att öka kraften och effektiviteten hos terahertzförstärkning i två typer av vakuumelektroniks långsamma vågkretsar. Den första typen av krets har en vikt vågledargeometri där anisotropa dielektrika och håliga metamaterial är vilka består av uppsättningar av subvåglängdshål (se bilden till höger).

Den andra typen av krets har en plan geometri med en meandertransmissionsledning för att bära den elektromagnetiska vågen och en metamaterialstruktur inbäddad i substratet. Beräkningsresultat är mer lovande med denna krets. Preliminära resultat tyder på att metamaterialstrukturen är effektiv för att minska det elektriska fältets storlek i substratet och öka storleken i området ovanför meanderlinjen, där den kan interagera med en elektronstråle. Dessutom är den plana kretsen mindre svår att tillverka och kan möjliggöra en högre ström. Mer arbete behövs för att undersöka andra plana geometrier, optimera interaktionen mellan elektriskt fält och elektronstråle och utforma fokuseringsmagnetgeometrier för plåtstrålen.

Nya terahertz-sensorer och fasmodulatorer

Möjligheten att kontrollera strålning i terahertz-regimen leder till analys av konstruktioner för avkänningsanordningar och fasmodulatorer. Enheter som kan applicera denna strålning skulle vara särskilt användbara. Olika strategier analyseras eller testas för att trimma metamaterial som kan fungera som sensorer. Likaså kan linjär fasförskjutning åstadkommas genom att använda styranordningar. Det är också nödvändigt att ha sensorer som kan upptäcka vissa slagfältsrisker

Se även

Anteckningar

Allmänna referenser

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Terahertz_metamaterial&oldid=1119370593 "