Metamateriais Flexíveis de Folha de Alumínio Alcançam Transparência Eletromagneticamente Induzida via Acoplamento Condutivo
Resumo
Propomos um metamaterial metálico terahertz acoplado condutivamente exibindo análogo de transparência eletromagneticamente induzida (EIT), no qual antenas de modo brilhante e escuro interagem via correntes de superfície em vez de acoplamento de campo próximo. Folha de alumínio, que é muito barata e frequentemente usada em embalagens de alimentos, é usada para fabricar nossos metamateriais. Assim, nossos metamateriais também são metamateriais flexíveis. Em nosso design, ressonadores de barras de alumínio e ressonadores de anel fendido (SRRs) de alumínio são conectados (em vez de separados) na forma de uma estrutura bifurcada. Realizamos simulação numérica e experimento para analisar o mecanismo do metamaterial proposto. A corrente de superfície devido à ressonância LSP (modo brilhante) flui ao longo de diferentes caminhos, e uma diferença de potencial é gerada nas fendas dos SRRs. Assim, uma ressonância LC (modo escuro) é induzida, e o modo brilhante é suprimido, resultando em EIT. O fenômeno tipo EIT exibido pelo metamaterial é induzido por correntes de condução de superfície, o que pode fornecer novas ideias para o design de metamateriais EIT. Além disso, o processo de fabricação de microestruturas em substratos flexíveis pode fornecer referência para produção de microestruturas flexíveis no futuro.
Introdução
Metamateriais são compostos artificialmente projetados com estruturas subcomprimento de onda. Suas propriedades físicas, como constante dielétrica, permeabilidade e condutividade, podem ser arbitrariamente projetadas alterando a estrutura e o tamanho da rede periódica. Portanto, muitos fenômenos interessantes podem ser realizados adaptando a geometria das células unitárias, com imenso potencial de aplicação como metalentes e regulação de frente de onda relacionada em metasuperfícies, meios de índice negativo, polarizadores, absorvedores de metamateriais e metadevices reconfiguráveis. A combinação de metamateriais e materiais bidimensionais amplia ainda mais o escopo de pesquisa. Entre eles, o análogo de transparência eletromagneticamente induzida (EIT) exibido por metamateriais é um tópico de pesquisa quente.
EIT é um fenômeno quântico-mecânico originalmente observado em sistemas atômicos ou moleculares baseado em interferência destrutiva entre transições impulsionadas por dois feixes de laser. EIT torna um meio altamente opaco transparente sobre uma região espectral estreita devido à falta de absorção, agora realizado em estruturas de guia de onda. Por outro lado, o análogo de EIT também é observado em metamateriais, caracterizado por um pico de transparência relativamente estreito em uma região opaca ampla no espectro. Várias ressonâncias podem ocorrer em metamateriais devido à interação entre as estruturas periódicas e o campo eletromagnético incidente. Além disso, a interferência destrutiva entre as diferentes ressonâncias causa fenômenos tipo EIT em metamateriais. Muitos pesquisadores estão engajados neste tópico, e uma variedade de estruturas foi proposta para realizar este fenômeno. O mecanismo atual comum de formação de EIT baseia-se na interferência destrutiva entre "modos brilhantes" e "modos escuros". Por exemplo, a oscilação indutivo-capacitiva (LC) em ressonadores de anel fendido metálicos (SRRs) suprime a ressonância de plasmon de superfície localizado (LSP) em barras metálicas; quadrupolo suprime dipolo em metamateriais combinados com ressonadores em forma de barra ou sulcos em forma de barra em direções diferentes; a ressonância magnética em um bloco dielétrico ou ressonador de anel dielétrico suprime a ressonância elétrica em um ressonador de barra dielétrico. A interferência destrutiva entre um modo brilhante com menor fator de qualidade (fator Q) e um modo brilhante com maior fator Q (também conhecido como modo quase-escuro) também induz análogo de EIT em metamateriais. Alguns estudiosos incorporaram substâncias controláveis no design para realizar ajuste óptico total de EIT ou controle eletrônico ativo de EIT. Na maioria dos designs, particularmente em metamateriais metálicos, antenas com diferentes modos são sempre separadas; elas interagem entre si através de acoplamento de campo próximo.
Um metal tem alta condutividade elétrica na banda terahertz. Além disso, uma estrutura de metamaterial metálico é submetida a plasmon de superfície quando a ressonância é excitada, e uma corrente de condução de superfície é induzida ao mesmo tempo, o que torna o acoplamento condutivo possível. Aqui, propomos um design onde diferentes ressonadores interagem via correntes de superfície. Propomos um metamaterial metálico terahertz acoplado condutivamente, no qual as antenas de modo brilhante e escuro são conectadas na forma de uma estrutura bifurcada para realizar análogo de EIT.
Métodos/Experimental
A Figura 1 mostra o design do metamaterial terahertz acoplado condutivamente proposto. A estrutura é um arranjo periódico bifurcado formado pela interconexão de ressonadores de barras de alumínio e SRRs de alumínio.
Os períodos das células unitárias são iguais nas direções x e y; Px = Py = 150 µm. O comprimento do SRR quadrado é a = 45 µm. A lacuna entre os dois SRRs é S = 30 µm. A fenda do SRR é g = 10 µm. O comprimento da barra de alumínio é L = 65 µm. A largura da linha das tiras de alumínio e SRRs é w = 8 µm. O substrato é feito de tereftalato de polietileno (PET). Para todas as simulações, simulações de onda completa correspondentes foram realizadas usando CST Microwave Studios (o metal selecionado foi alumínio com condutividade de 3,56 × 107 S/m, e a permissividade do substrato PET é 3,2). A espessura da estrutura de alumínio foi definida como 150 nm na simulação. Assumimos a luz incidente como onda plana propagando na direção oposta do eixo z. Os campos elétrico e magnético da luz incidente são polarizados ao longo dos eixos y- e x-, respectivamente.
Quanto ao experimento, usamos o composto comprado de filme PET-alumínio como matéria-prima. Este tipo de folha de alumínio comercial é muito barata e frequentemente usada em embalagens de alimentos comuns. Litografia (escrita direta a laser) e processos de gravação úmida foram empregados na fabricação. Comparado com tecnologias convencionais de micro/nanofabricação, a técnica de escrita direta a laser oferece várias vantagens distintas, como processamento projetável sem uso de máscaras, facilidade de integração com dispositivos dados e viabilidade de capacidade de estruturação 3D. Como o substrato PET é muito macio devido à sua espessura de aproximadamente 20 µm, primeiro adicionamos algum líquido volátil em um substrato de quartzo plano e limpo, depois aplanamos o composto filme PET-alumínio no substrato de quartzo, e descarregamos o ar entre o material composto e o substrato de quartzo. Após a evaporação do líquido, o composto plano adere firmemente à superfície do substrato de quartzo; isso é conveniente para os subsequentes processos de spin-coating de fotorresistente e fotolitografia.
Após a fabricação do metamaterial, este foi suavemente removido do substrato de quartzo para os testes seguintes. Espectroscopia de domínio de tempo terahertz (THz-TDS) foi então empregada para medir os coeficientes de transmissão complexos das amostras em incidência normal para incidência polarizada y. O material flexível, mostrado na Fig. 2, é a amostra de metamaterial fabricada, na qual a porção intermediária aparentemente transparente é um arranjo periódico 60 × 80. A imagem microscópica da estrutura acoplada condutivamente fabricada também é mostrada no inseto. O método acima fornece referência para fabricação de microestruturas em material flexível para realizar dispositivo flexível.
Resultados e Discussão
A Figura 3 mostra os espectros de frequência simulados e medidos do metamaterial metálico terahertz acoplado condutivamente, indicados por linha sólida preta e linha pontilhada azul, respectivamente. Uma imagem microscópica da estrutura também é mostrada ao lado. A curva medida e o resultado da simulação estão em bom acordo. O metamaterial fabricado exibe um pico de transmissão em aproximadamente 0,76 THz. O pico EIT medido está na faixa de aproximadamente 0,15–0,45, que é menor que o determinado pela simulação (0,7). Segundo a razão da frequência central do pico de transmissão para a largura a meia altura (FWHM), o fator Q do espectro simulado é 17,5, que declina para aproximadamente 12 no resultado experimental devido a perdas e precisão de medição. Por outro lado, para comparar o metamaterial terahertz acoplado condutivamente com estruturas convencionais onde o ressonador de barra metálica e SRRs metálicos interagem via acoplamento de campo próximo, fabricamos e testamos uma amostra onde o ressonador de barra é separado dos SRRs. A Figura 3 mostra também os espectros de frequência simulados e medidos da estrutura convencional, indicados por linha sólida vermelha e linha pontilhada rosa, respectivamente. Para a estrutura convencional separada, nem fenômeno EIT nem ressonância ocorre na faixa de frequência de 0,5–1 THz. Por comparação, descobrimos que o mecanismo do nosso metamaterial EIT condutivo é diferente do da estrutura convencional separada.
Embora os resultados experimentais concordem principalmente com os de simulação, existem algumas diferenças menores. Analisamos e simulamos os efeitos de diferentes parâmetros nos resultados, como mostrado na Fig. 4.
Primeiro, a estrutura do metamaterial é composta de alumínio. É bem conhecido que a superfície do metal alumínio tende a formar um filme de óxido denso, o que leva à redução da condutividade da estrutura e enfraquece o efeito de acoplamento condutivo. O efeito da condutividade no fenômeno EIT do metamaterial é mostrado na Fig. 4a. À medida que a condutividade diminui (de 3,56 × 107 S/m para 3,56 × 105 S/m), a amplitude EIT diminui significativamente, e a frequência desloca ligeiramente, de 0,76 para 0,72 THz. Além disso, o tamanho dos metamateriais fabricados também foi medido com microscópio. Verificou-se que existem algumas diferenças entre o tamanho da estrutura fabricada e o parâmetro definido no processo de simulação. Aqui, listamos algumas diferenças óbvias: a largura da linha das tiras de alumínio e SRRs, w, (6,5~7,5 µm) é mais fina que o valor projetado (8 µm), e o comprimento do SRR quadrado, a, (43~41 µm) é menor que o valor projetado (45 µm), o comprimento da barra de alumínio, L, (61~62 µm) é mais curto que o valor projetado (65 µm). As influências de w, a e L no efeito EIT são mostradas na Fig. 4b, c, d respectivamente. Como mostrado na Fig. 4b, à medida que w diminui, a frequência do fenômeno EIT diminui. Como o parâmetro w envolve tanto os SRRs quanto a estrutura de barra metálica, a mudança deste parâmetro causa deslocamento da frequência de absorção e frequência de transmissão do EIT. Enquanto na Fig. 4c, d, à medida que a e L diminuem, o pico de transmissão e a faixa de absorção do fenômeno EIT aparecem deslocamento para o azul respectivamente, ou seja, a frequência aumenta. A combinação de todas essas diferenças entre experimento e simulação finalmente levou à diferença entre o espectro medido real e o espectro simulado. Além disso, de acordo com o deslocamento de frequência da região de absorção e do pico de transmissão causado pela variação de parâmetros na Fig. 4, também pode ser concluído que, embora as antenas de modo brilhante e escuro estejam integradas na estrutura, existem também requisitos rigorosos para o tamanho de ambas as antenas para fazer estas duas frequências de modos coincidirem entre si.
Para analisar ainda mais o mecanismo de formação de EIT do metamaterial condutivo, simulamos uma corrente de superfície e uma distribuição de campo elétrico na frequência do pico EIT (0,76 THz) e nas quedas de transmissão (0,71 e 0,81 THz), como mostrado nos lados esquerdo e direito da Fig. 5, respectivamente. Como mostrado na Fig. 5a, a corrente de superfície flui do braço metálico externo dos SRRs para o ressonador de barra. Isso é consistente com a direção de polarização do campo elétrico incidente, ou seja, de uma extremidade à outra ao longo do eixo y com oscilação de vai-e-vem, exibindo assim uma ressonância LSP típica.
A Figura 5b mostra a distribuição de corrente de superfície na frequência EIT (0,76 THz). A corrente de superfície vórtice está principalmente concentrada nos SRRs, indicando uma ressonância LC fundamental e supressão de ressonância LSP. Quanto à segunda queda de transmissão em frequência mais alta (0,81 THz), a distribuição de corrente de superfície é de uma extremidade à outra ao longo da direção do eixo y, indicativa de uma ressonância LSP, como mostrado na Fig. 5c. No entanto, a corrente de superfície flui através do braço metálico interno dos SRRs. Em comparação com o caminho mostrado na Fig. 5a, o caminho de condução da corrente de superfície mostrado na Fig. 5c é mais curto, correspondendo a um comprimento de onda de ressonância mais curto e frequência de ressonância mais alta. A Fig. 5e, d e f mostram as distribuições de campo elétrico nas frequências do pico de transmissão EIT e duas quedas de transmissão ao lado do pico EIT. Na Fig. 5e, a energia do campo elétrico está principalmente concentrada nas fendas dos SRRs, enquanto na Fig. 5d e f, a energia do campo elétrico está principalmente concentrada nas duas extremidades da estrutura. Esses fenômenos correspondem às suas respectivas distribuições de corrente de superfície.
Na verdade, a geração desta ressonância LC (modo escuro) também pode ser explicada do conhecimento de circuito. Quando a ressonância LSP (modo brilhante) é excitada, a corrente de superfície oscila vai-e-vem ao longo do eixo y. Quando a corrente flui para o ponto conectando o ressonador de barra e os SRRs, há uma bifurcação no caminho de condução. A corrente flui da junção para as fendas dos SRRs através de dois caminhos condutivos. Um dos caminhos é ao longo do braço metálico externo dos SRRs, consistente com a direção de fluxo da corrente de superfície mostrada na Fig. 5a. O outro é via braço metálico interno dos SRRs, como mostrado na Fig. 5c. Aqui, este fenômeno pode ser analogado ao processo de carga e descarga das fendas dos SRRs. De fato, já existem literaturas modelando o ressonador acoplado de barra metálica e SRRs como circuito RLC, e o conceito de "ressonância LC" tem sido utilizado por muitos anos. A fenda do SRR metálico pode ser considerada como um capacitor. Quando a corrente de superfície é conduzida no braço metálico, embora a condutividade do metal seja alta, alguma resistência ainda existe. Além disso, sob oscilação de alta frequência de ondas eletromagnéticas, há certo obstáculo à mudança de alta velocidade da corrente de superfície. Ou seja, existe uma indutância. A resistência e indutância do braço metálico são proporcionais ao comprimento do braço. Se os dois caminhos no lado externo e interno após a bifurcação são assimétricos, como mostrado na Fig. 6a, R1 é menor que a soma de R2 e R3, e L1 é menor que a soma de L2 e L3. Então, quando C1 é carregado e descarregado, as velocidades nos dois caminhos são sempre diferentes, resultando em diferença de potencial na fenda dos SRRs. Isso é equivalente a uma excitação elétrica adicional aplicada às fendas dos SRRs e também similar a uma excitação de campo eletromagnético externo aplicada aos SRRs com campo elétrico polarizado ao longo da fenda. É bem conhecido que o modo de ressonância LC em um SRR seria excitado quando o campo elétrico incidente é polarizado ao longo da fenda.
No entanto, se os pontos conectando o ressonador de barra e os SRRs estão localizados na linha central vertical dos SRRs, como mostrado na Fig. 6b, os dois caminhos no lado externo e interno após a bifurcação são simétricos. Neste caso, R1' = R3', L1' = L3'. Portanto, a velocidade de carga e descarga ao longo dos dois caminhos é sempre a mesma, e não há diferença de potencial.
Para verificar a conjectura acima, projetamos e fabricamos outro metamaterial, no qual os pontos conectando o ressonador de barra e os SRRs estão localizados na linha central vertical dos SRRs. Assim, o comprimento dos dois caminhos de condução, ou seja, as correntes fluem ao longo do braço metálico externo ou interno dos SRRs, pode ser o mesmo. A Figura 7a mostra os espectros simulados e medidos deste metamaterial. Uma imagem microscópica da estrutura também é inserida ao lado. Ambos os resultados simulados e experimentais demonstram que há apenas ressonância nesta faixa de frequência. Embora a frequência de ressonância medida experimentalmente (aproximadamente 0,85 THz) tenha algum desvio da frequência de ressonância simulada (aproximadamente 0,87 THz), principalmente devido a erros experimentais, a curva medida e o resultado da simulação estão em bom acordo. A Figura 7b mostra a distribuição de corrente de superfície quando a ressonância desta estrutura é induzida, exibindo uma ressonância LSP típica. Como as distâncias dos dois caminhos de condução são as mesmas, a quantidade de redução de potencial através dos dois caminhos também é a mesma; não há diferença de potencial gerada nas fendas; portanto, a ressonância LC e análogo de fenômeno EIT não podem ser formados.
Quanto à frequência desta ressonância LSP (0,87 THz), ela é mais alta que a da estrutura anterior. É porque na estrutura atual, a corrente de superfície pode fluir através de dois caminhos de condução. Isso é equivalente a um circuito paralelo onde a resistência e a indutância são menores que qualquer um dos ramos. Isso é o mesmo que o efeito de passar por um caminho de condução mais curto. O caminho de condução torna-se mais curto, o comprimento de onda de ressonância torna-se menor, e a frequência de ressonância torna-se mais alta.
Também simulamos a influência da assimetria dos dois caminhos de condução no fenômeno EIT; os resultados são mostrados na Fig. 8. Quando o ponto conectando o ressonador de barra e os SRRs move-se para cima, como mostrado na Fig. 8a; a amplitude do pico de transmissão aumenta correspondentemente.
Na Fig. 8b, quando a barra de conexão no meio é dobrada, o que prepara o movimento do ponto de conexão para fora, a frequência da região de absorção do EIT torna-se mais alta com o aumento do ângulo de dobra. Quando o ângulo de dobra aumenta, mais partes do caminho de condução são conectadas em paralelo, ou seja, o caminho de condução torna-se mais largo, o que é o mesmo que o efeito de passar por um caminho de condução mais curto. O caminho de condução torna-se mais curto, o comprimento de onda de ressonância torna-se menor, e a frequência de ressonância torna-se mais alta. Isso também explica por que a frequência de ressonância na Fig. 7 é mais alta que na Fig. 3. Na Fig. 8c, quando o ponto de junção move-se para fora, a assimetria diminui, as velocidades de carga e descarga do C1 ao longo dos dois caminhos tendem a ser as mesmas; a diferença de potencial torna-se menor, e a intensidade do modo escuro gradualmente enfraquece, levando ao declínio do pico de transmissão do EIT. Isso também reflete que quanto maior a diferença entre os dois caminhos ao longo do SSR após bifurcação do ponto de conexão, mais forte o efeito EIT.
Também separamos a estrutura EIT do metamaterial condutivo e a estudamos separadamente. A Figura 9 mostra os espectros simulados e medidos dos diferentes componentes da estrutura. Como mostrado na Fig. 9a, a estrutura combinada da barra metálica e a parte externa dos SRRs produz uma ressonância significativa a 0,72 THz quando excitada por campo elétrico polarizado ao longo do eixo y. A Figura 9d mostra a distribuição de corrente de superfície quando a ressonância desta estrutura é induzida; isso é similar à distribuição mostrada na Fig. 5a.
Embora a direção seja diferente, a tendência geral na corrente de superfície é considerada a mesma, porque o campo eletromagnético incidente está oscilando vai-e-vem. A Figura 9b mostra os espectros da combinação SRR sob excitação de luz incidente com diferentes polarizações. Quando o campo elétrico é polarizado perpendicular à direção da fenda, nenhuma ressonância ocorre na faixa de 0,5–1 THz, e a transmissão permanece em nível alto. Quando o campo elétrico é polarizado paralelo às fendas dos SRRs, uma ressonância é gerada a 0,78 THz. A Figura 9e mostra a distribuição de corrente de superfície quando esta ressonância é excitada. A corrente de superfície circula vai-e-vem na superfície dos SRRs, similar à distribuição mostrada na Fig. 5b. No entanto, a direção do fluxo das duas correntes de superfície vórtice, na Fig. 5b, é espelho-simétrica ao eixo y, enquanto as correntes de superfície vórtice, na Fig. 5e, estão na mesma direção. Isso ocorre porque, na Fig. 9e, as ressonâncias dos dois SRRs são induzidas pelo mesmo campo elétrico. Portanto, a direção da corrente de superfície vórtice é a mesma. No entanto, na Fig. 5b, tanto a estrutura do metamaterial proposto quanto as direções da diferença de potencial gerada nas fendas dos dois SRRs são espelho-simétricas ao eixo y, fazendo com que a corrente de superfície excitada também seja espelho-simétrica ao eixo y. A diferença nas frequências (0,76 THz vs. 0,78 THz) pode ser atribuída ao fato de que a corrente de superfície vórtice no metamaterial condutivo não é estritamente distribuída apenas nos SRRs, e o alongamento no caminho de condução leva a aumento no comprimento de onda de ressonância, tornando a frequência do pico EIT (0,76 THz) ligeiramente menor que a frequência de ressonância LC da combinação SRR (0,78 THz). Como mostrado na Fig. 9c, a estrutura combinada da barra metálica e a parte interna dos SRRs produz uma ressonância significativa a 0,79 THz sob campo elétrico excitado ao longo do eixo y. A Figura 9f mostra a distribuição de corrente de superfície quando a ressonância desta estrutura é induzida, exibindo uma ressonância LSP típica. As ressonâncias dos componentes acima correspondem às condições da queda de transmissão de baixa frequência, pico de transmissão EIT e queda de alta frequência, respectivamente.
Conclusão
Em conclusão, propusemos um metamaterial EIT metálico terahertz acoplado condutivamente, no qual as antenas de modo brilhante e escuro são conectadas na forma de uma estrutura bifurcada. Folha de alumínio, que é muito barata e frequentemente usada em embalagens de alimentos, é usada para fabricar nossos metamateriais. Análises numéricas e experimentais foram conduzidas para analisar seu mecanismo. A corrente de superfície devido à ressonância LSP (modo brilhante) flui ao longo de diferentes caminhos. Devido à assimetria do ponto de conexão em relação à fenda do SRR, uma diferença de potencial é gerada nas fendas dos SRRs. Isso é equivalente a uma excitação de campo eletromagnético externo com campo elétrico polarizado ao longo da fenda. Assim, uma ressonância LC (modo escuro) é induzida, e o modo brilhante é suprimido, resultando em EIT. A estrutura proposta interage via correntes de condução de superfície. Isso pode fornecer novas ideias para o design estrutural de metamateriais EIT. Além disso, o processo de fabricação de microestruturas em substratos flexíveis pode fornecer referência para produção de microestruturas flexíveis no futuro.
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