Разрезной кольцевой резонатор

Резонатор с разрезным кольцом (SRR) — это искусственно созданная структура, характерная для метаматериалов. Его цель — создание желаемой магнитной восприимчивости (магнитного отклика) в различных типах метаматериалов до 200 Тгерц.

Фон

Кольцевые резонаторы с разрезным кольцом (SRR) состоят из пары концентрических металлических колец, вытравленных на диэлектрической подложке, с прорезями, вытравленными на противоположных сторонах. SRR могут создавать эффект электрически меньшего размера при реагировании на колеблющееся электромагнитное поле. Эти резонаторы использовались для синтеза сред с левым и отрицательным показателем преломления, где необходимое значение отрицательной эффективной проницаемости обусловлено наличием SRR. Когда массив электрически малых SRR возбуждается с помощью изменяющегося во времени магнитного поля, структура ведет себя как эффективная среда с отрицательной эффективной проницаемостью в узкой полосе выше резонанса SRR. SRR также были связаны с плоскими линиями передачи для синтеза линии передачи метаматериалов.

Эти среды создают необходимую сильную магнитную связь с приложенным электромагнитным полем, которая иначе недоступна в обычных материалах. Например, такой эффект, как отрицательная проницаемость, создается с помощью периодического массива кольцевых резонаторов с разрезным кольцом.

Одноэлементный SRR имеет пару замкнутых контуров с разрезами на противоположных концах. Контуры сделаны из немагнитного металла, такого как медь, и имеют небольшой зазор между ними. Контуры могут быть концентрическими или квадратными, и иметь зазоры по мере необходимости. Магнитный поток, проникающий в металлические кольца, будет индуцировать вращающиеся токи в кольцах, которые создают свой собственный поток для усиления или противодействия падающему полю (в зависимости от резонансных свойств SRR). Эта картина поля является дипольной. Небольшие зазоры между кольцами создают большие значения емкости, что снижает резонансную частоту. Следовательно, размеры структуры малы по сравнению с резонансной длиной волны. Это приводит к низким потерям на излучение и очень высоким показателям качества.

Разрезной кольцевой резонатор был микроструктурной конструкцией, представленной в статье Пендри и др. в 1999 году под названием «Магнетизм от проводников и усиленные нелинейные явления». В ней предполагалось, что конструкция разрезного кольцевого резонатора, изготовленная из немагнитного материала, может усилить магнитную активность, невиданную в природных материалах. В простом микроструктурном дизайне показано, что в массиве проводящих цилиндров с приложенным внешним $H_{0}$ полем параллельно цилиндрам, эффективную проницаемость можно записать следующим образом. (Эта модель весьма ограничена, и эффективная проницаемость не может быть меньше нуля или больше единицы.)

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

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

Где $\sigma$ — сопротивление поверхности цилиндра на единицу площади, a — расстояние между цилиндрами, $\omega$ — угловая частота, $\mu _{0}$ — проницаемость свободного пространства, а r — радиус. Более того, когда в конструкцию из двух цилиндров, подобную изображению выше, вводятся зазоры, мы видим, что зазоры создают емкость. Такая конструкция микроструктуры конденсатора и индуктора вводит резонанс, который усиливает магнитный эффект. Новая форма эффективной проницаемости напоминает знакомый отклик, известный в плазмонных материалах.

\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}}}\ }}\

\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}}}\ }}\

Где d — расстояние между концентрическими проводящими листами [необходимо разъяснение]. Окончательная конструкция заменяет двойные концентрические цилиндры парой плоских концентрических листов в форме буквы С, размещенных по обе стороны элементарной ячейки. Элементарные ячейки укладываются друг на друга на длину l. Окончательный результат эффективной проницаемости можно увидеть ниже.

\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}}\ )}}\ }}\

\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}}\ )}}\ }}\

где c — толщина c-образного листа, а $\sigma$ — сопротивление единицы длины листов, измеренное вокруг длина окружности.

Характеристики

Разделенный кольцевой резонатор и сам метаматериал являются композитными материалами. Каждый SRR имеет индивидуальный адаптированный ответ на электромагнитное поле. Однако периодическая конструкция многих ячеек SRR такова, что электромагнитная волна взаимодействует так, как если бы это были однородные материалы. Это похоже на то, как свет на самом деле взаимодействует с повседневными материалами; такие материалы, как стекло или линзы, состоят из атомов, создается усредняющий или макроскопический эффект.

SRR разработан для имитации магнитного отклика атомов [необходимо разъяснение], только в гораздо большем масштабе. Кроме того, как часть периодической композитной структуры, SRR разработан для более сильной магнитной связи, чем та, что встречается в природе. Больший масштаб позволяет лучше контролировать магнитный отклик, в то время как каждая единица меньше излучаемой электромагнитной волны.

SRR гораздо более активны [требуется разъяснение], чем ферромагнитные материалы, встречающиеся в природе. Выраженный магнитный отклик в таких легких материалах [требуется разъяснение] демонстрирует преимущество перед более тяжелыми материалами естественного происхождения. Каждый блок может быть спроектирован так, чтобы иметь свой собственный магнитный отклик. Отклик может быть усилен или ослаблен по желанию. Кроме того, общий эффект снижает требования к мощности.

Конфигурация SRR

Конфигурация массива левостороннего метаматериала

Существует множество разрезных кольцевых резонаторов и периодических структур: стержневые разрезные кольца, вложенные разрезные кольца, одиночные разрезные кольца, деформированные разрезные кольца, спиральные разрезные кольца и расширенные S-структуры. Разновидности разрезных кольцевых резонаторов достигли разных результатов, включая меньшие и более высокочастотные структуры. Исследования, в которых задействованы некоторые из этих типов, обсуждаются на протяжении всей статьи.

На сегодняшний день (декабрь 2009 г.) возможности для желаемых результатов в видимом спектре не достигнуты. Однако в 2005 г. было отмечено, что физически вложенный круговой разрезной кольцевой резонатор должен иметь внутренний радиус от 30 до 40 нанометров для успеха в средней части видимого спектра. Методы микро- и нанопроизводства могут использовать прямую лазерную запись или электронно-лучевую литографию в зависимости от желаемого разрешения.

Различные конфигурации

Решетка резонатора с разделенным кольцом 10 тыс. кв. нм

Разрезные кольцевые резонаторы (SRR) являются одним из наиболее распространенных элементов, используемых для изготовления метаматериалов. Разрезные кольцевые резонаторы представляют собой немагнитные материалы, которые изначально изготавливались из материала печатных плат для создания метаматериалов.

Если посмотреть на изображение прямо справа, можно увидеть, что сначала один SRR выглядит как объект с двумя квадратными периметрами, причем у каждого периметра удалена небольшая секция. Это приводит к образованию квадратных «С»-образных фигур на материале печатной платы из стекловолокна. В этом типе конфигурации это на самом деле две концентрические полосы немагнитного проводящего материала. В каждой полосе имеется один зазор, расположенный на 180° относительно друг друга. Зазор в каждой полосе придает ей характерную форму «С», а не полностью круглую или квадратную форму. Затем несколько ячеек этой конфигурации с двумя полосами изготавливаются на материале печатной платы с помощью техники травления и облицовываются массивами медных проволочных полос. После обработки платы разрезаются и собираются в блокировочный блок. Он сконструирован в периодический массив с большим количеством SRR.

В настоящее время существует ряд различных конфигураций, использующих номенклатуру SRR.

Демонстрации

Периодическая решетка SRR использовалась для первой демонстрации отрицательного показателя преломления. Для этой демонстрации были изготовлены квадратные SRR с выровненными проволочными конфигурациями в периодическую, выстроенную, ячеистую структуру. Это вещество метаматериала. Затем из этого материала была вырезана призма из метаматериала. Эксперимент с призмой впервые продемонстрировал отрицательный показатель преломления в 2000 году; статья о демонстрации была представлена в журнал Science 8 января 2001 года, принята 22 февраля 2001 года и опубликована 6 апреля 2001 года.

Непосредственно перед этим экспериментом с призмой Пендри и др. смогли продемонстрировать, что трехмерный массив пересекающихся тонких проводов может использоваться для создания отрицательных значений ε. В более поздней демонстрации периодический массив медных разрезных кольцевых резонаторов может производить эффективное отрицательное μ. В 2000 году Смит и др. были первыми, кто успешно объединил два массива и создал так называемый левосторонний материал, который имеет отрицательные значения ε и μ для полосы частот в диапазоне ГГц.

SRR впервые были использованы для изготовления левосторонних метаматериалов для микроволнового диапазона, а несколько лет спустя и для терагерцового диапазона. К 2007 году экспериментальная демонстрация этой структуры на микроволновых частотах была достигнута многими группами. Кроме того, SRR использовались для исследований в области акустических метаматериалов. Выстроенные SRR и провода первого левостороннего метаматериала были объединены в чередующиеся слои. Затем эта концепция и методология были применены к (диэлектрическим) материалам с оптическими резонансами, создающими отрицательную эффективную диэлектрическую проницаемость для определенных частотных интервалов, что приводит к «частотам фотонной запрещенной зоны». Другой анализ показал, что левосторонние материалы изготавливаются из неоднородных компонентов, что в то же время приводит к макроскопически однородному материалу. SRR использовались для фокусировки сигнала от точечного источника, увеличивая расстояние передачи для волн ближнего поля. Кроме того, другой анализ показал, что SRR с отрицательным показателем преломления способны к высокочастотному магнитному отклику, что создало искусственное магнитное устройство, состоящее из немагнитных материалов (диэлектрическая печатная плата).

Резонансные явления, происходящие в этой системе, имеют решающее значение для достижения желаемых эффектов.

SRR также демонстрируют резонансный электрический отклик в дополнение к своему резонансному магнитному отклику. Отклик, при объединении с массивом идентичных проводов, усредняется по всей композитной структуре, что приводит к эффективным значениям, включая показатель преломления. Первоначальная логика SRR в частности и метаматериалов в целом заключалась в создании структуры, которая имитирует выстроенную атомную структуру, только в гораздо большем масштабе.

Несколько типов SRR

В исследованиях, основанных на метаматериалах, и в частности на отрицательном показателе преломления, существуют различные типы резонаторов с разделенными кольцами. Из приведенных ниже примеров большинство из них имеют зазор в каждом кольце. Другими словами, при двухкольцевой структуре каждое кольцо имеет зазор.

Существует одномерная структура разделенного кольца с двумя квадратными кольцами, одно внутри другого. Один набор указанных размеров «элементарной ячейки» будет представлять собой внешний квадрат 2,62 мм и внутренний квадрат 0,25 мм. Такие одномерные структуры, как эта, легче изготовить по сравнению с созданием жесткой двумерной структуры.

Симметрично-кольцевая структура — еще один классический пример. Согласно номенклатуре, это две прямоугольные квадратные конфигурации типа D, абсолютно одинакового размера, лежащие плоско, бок о бок, в элементарной ячейке. Кроме того, они не являются концентрическими. Один набор указанных размеров составляет 2 мм на более короткой стороне и 3,12 мм на более длинной стороне. Зазоры в каждом кольце обращены друг к другу в элементарной ячейке.

Омега-структура, как описывает номенклатура, имеет кольцевую структуру в форме буквы Ω. В элементарной ячейке их два, стоящих вертикально, бок о бок, а не лежащих плашмя. В 2005 году их посчитали новым типом метаматериала. Один набор указанных размеров — кольцевые параметры R=1,4 мм и r=1 мм, а прямой край — 3,33 мм.

Другим новым метаматериалом в 2005 году была связанная S-образная структура. В элементарной ячейке есть две вертикальные S-образные структуры, расположенные рядом. Зазора, как в кольцевой структуре, нет; однако есть пространство между верхней и средней частями S и пространство между средней частью и нижней частью S. Кроме того, он по-прежнему обладает свойствами наличия электрической плазменной частоты и магнитной резонансной частоты.

Исследовать

1 мая 2000 года было опубликовано исследование об эксперименте, в котором проводящие провода были симметрично размещены внутри каждой ячейки периодической решетки резонатора с разделенным кольцом. Это эффективно достигало отрицательной проницаемости и диэлектрической проницаемости для электромагнитных волн в микроволновом режиме. Эта концепция использовалась и до сих пор используется для создания взаимодействующих элементов, меньших, чем применяемое электромагнитное излучение. Кроме того, расстояние между резонаторами намного меньше, чем длина волны применяемого излучения.

Кроме того, расщепления в кольце позволяют блоку SRR достигать резонанса на длинах волн, намного больших, чем диаметр кольца. Блок предназначен для генерации большой емкости, снижения резонансной частоты и концентрации электрического поля. Объединение блоков создает конструкцию как периодическую среду. Кроме того, структура с несколькими блоками имеет сильную магнитную связь с низкими потерями на излучение.
Исследования также охватывали изменения магнитных резонансов для различных конфигураций SRR.
Исследования продолжались в области терагерцового излучения с SRR. Другие связанные работы создавали конфигурации метаматериалов с фракталами и не-SRR структурами. Они могут быть построены из таких материалов, как периодические металлические кресты или постоянно расширяющиеся концентрические кольцевые структуры, известные как швейцарские рулеты. Проницаемость только для красной длины волны на 780 нм была проанализирована вместе с другими связанными работами.

Academic journals

Metamaterials books