Peragaan Eksperimental Transparansi yang Diinduksi Secara Elektromagnetik dalam Metamaterial Fleksibel yang Digabungkan Secara Konduktif dengan Aluminium Foil Murah

Hasil dan Diskusi

Gambar 3 menunjukkan spektrum frekuensi yang disimulasikan dan diukur dari metamaterial logam terahertz yang digabungkan secara konduktif, masing-masing ditunjukkan menggunakan garis solid hitam dan garis putus-putus biru. Gambar mikroskopis struktur juga ditampilkan di sebelahnya. Kurva terukur dan hasil simulasi sesuai. Metamaterial yang dibuat menunjukkan puncak transmisi pada sekitar 0,76 THz. Puncak EIT yang diukur berada dalam kisaran sekitar 0,15-0,45, yang lebih rendah dari yang ditentukan dari simulasi (0,7). Menurut rasio frekuensi pusat puncak transmisi dengan lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM), faktor Q dari spektrum simulasi adalah 17,5, yang menurun menjadi sekitar 12 dalam hasil eksperimen karena kehilangan dan akurasi pengukuran. Di sisi lain, untuk membandingkan metamaterial terahertz yang digabungkan secara konduktif dengan struktur konvensional di mana resonator batang logam dan SRR logam berinteraksi melalui sambungan medan dekat, kami membuat dan menguji sampel di mana resonator batang dipisahkan dari SRR. Gambar 3 menunjukkan spektrum frekuensi yang disimulasikan dan diukur dari struktur konvensional juga, yang ditunjukkan masing-masing menggunakan garis merah solid dan garis putus-putus merah muda. Untuk struktur terpisah konvensional, baik fenomena EIT maupun resonansi tidak terjadi pada rentang frekuensi 0,5-1 THz. Sebagai perbandingan, kami menemukan bahwa mekanisme metamaterial EIT konduktif kami berbeda dengan mekanisme struktur terpisah konvensional.

Spektrum simulasi dan terukur dari metamaterial terahertz yang digabungkan secara konduktif dan spektrum konvensional dimana resonator batang dipisahkan dari SRR. Gambar mikroskopis dari struktur yang sesuai juga ditampilkan di sebelahnya

Meskipun hasil eksperimen sebagian besar setuju dengan hasil simulasi, ada beberapa perbedaan kecil. Kami menganalisis dan mensimulasikan efek dari parameter yang berbeda pada hasil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.

Spektrum simulasi dari metamaterial terahertz yang digabungkan secara konduktif dengan berbagai parameter struktural a konduktivitas aluminium; b lebar garis strip aluminium dan SRR; c panjang persegi SRR; d panjang batang aluminium

Pertama-tama, struktur metamaterial terdiri dari aluminium. Diketahui bahwa permukaan logam aluminium cenderung membentuk film oksida padat, yang mengarah pada pengurangan konduktivitas struktur dan melemahkan efek kopling konduktif dari struktur. Pengaruh konduktivitas pada fenomena EIT metamaterial ditunjukkan pada Gambar. 4a. Saat konduktivitas menurun (dari 3,56 × 10 ⁷ S/m hingga 3,56 × 10 ⁵ S/m), amplitudo EIT berkurang secara signifikan, dan frekuensinya sedikit bergeser, dari 0,76 menjadi 0,72 THz. Selain itu, ukuran metamaterial yang dibuat juga telah diukur dengan mikroskop. Ditemukan bahwa ada beberapa perbedaan antara ukuran struktur fabrikasi dan pengaturan parameter dalam proses simulasi. Di sini, kami mencantumkan beberapa perbedaan yang jelas:lebar garis strip aluminium dan SRR, w , (6,5~7,5 m) lebih tipis dari nilai yang dirancang (8 m), dan panjang SRR persegi, a , (43~41 m) lebih kecil dari nilai yang dirancang (45 m), panjang batang aluminium, L , (61~62 m) lebih pendek dari nilai yang dirancang (65 m). Pengaruh w , a , dan L pada efek EIT ditunjukkan pada Gambar. 4b, c masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, sebagai w menurun, frekuensi fenomena EIT menurun. Karena parameter w melibatkan SSR dan struktur batang logam, perubahan parameter ini menyebabkan pergeseran frekuensi penyerapan dan frekuensi transmisi EIT. Sedangkan pada Gambar 4c, d, sebagai a dan L penurunan, puncak transmisi dan rentang penyerapan fenomena EIT muncul pergeseran biru masing-masing, yaitu frekuensi meningkat. Kombinasi dari semua perbedaan dalam eksperimen dan simulasi ini pada akhirnya menyebabkan perbedaan antara spektrum terukur yang sebenarnya dan spektrum yang disimulasikan. Terlebih lagi, menurut pergeseran frekuensi daerah penyerapan dan puncak transmisi yang disebabkan oleh variasi parameter pada Gambar. 4, dapat juga disimpulkan bahwa meskipun antena mode terang dan gelap terintegrasi dalam struktur, ada juga yang ketat persyaratan ukuran kedua antena untuk membuat dua mode frekuensi ini cocok satu sama lain.

Untuk menganalisis lebih lanjut mekanisme pembentukan EIT dari metamaterial konduktif, kami mensimulasikan arus permukaan dan distribusi medan listrik pada frekuensi puncak EIT (0,76 THz) dan pada penurunan transmisi (0,71 dan 0,81 THz), seperti yang ditunjukkan di sebelah kiri dan sisi kanan Gambar. 5, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, arus permukaan mengalir dari lengan logam luar SRR ke resonator batang. Hal ini konsisten dengan arah polarisasi dari medan listrik yang datang, yaitu dari satu ujung ke ujung lainnya sepanjang y -sumbu dengan osilasi bolak-balik, sehingga menunjukkan resonansi LSP yang khas.

Arus permukaan pada frekuensi yang berbeda:a Frekuensi puncak EIT, b penurunan transmisi dengan frekuensi yang lebih rendah, c penurunan transmisi dengan frekuensi yang lebih tinggi. Distribusi medan listrik pada frekuensi yang berbeda:d Frekuensi puncak EIT, e distribusi medan listrik pada penurunan transmisi dengan frekuensi yang lebih rendah. f Distribusi medan listrik pada penurunan transmisi dengan frekuensi yang lebih tinggi

Gambar 5b menunjukkan distribusi arus permukaan pada frekuensi EIT (0,76 THz). Arus permukaan pusaran terutama terkonsentrasi pada SRR, menunjukkan resonansi LC mendasar dan penekanan resonansi LSP. Adapun penurunan transmisi kedua pada frekuensi yang lebih tinggi (0,81 THz), distribusi arus permukaan dari satu ujung ke ujung lainnya sepanjang y arah sumbu -, menunjukkan resonansi LSP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c. Namun, arus permukaan mengalir melalui lengan logam bagian dalam SRR. Dibandingkan dengan jalur, yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, jalur konduksi arus permukaan, yang ditunjukkan pada Gambar. 5c, lebih pendek, yang sesuai dengan panjang gelombang resonansi yang lebih pendek dan frekuensi resonansi yang lebih tinggi. Gambar 5e, d, dan f menunjukkan distribusi medan listrik pada frekuensi puncak transmisi EIT dan dua penurunan transmisi selain puncak EIT. Pada Gambar 5e, energi medan listrik terutama terkonsentrasi pada celah SRR, sedangkan pada Gambar 5d dan f, energi medan listrik terutama terkonsentrasi pada kedua ujung struktur. Fenomena ini sesuai dengan distribusi arus permukaan masing-masing.

Sebenarnya, pembangkitan resonansi LC (mode gelap) ini juga dapat dijelaskan dari pengetahuan rangkaian. Ketika resonansi LSP (mode terang) tereksitasi, arus permukaan berosilasi bolak-balik sepanjang y -sumbu. Ketika arus mengalir ke titik yang menghubungkan resonator batang dan SRR, ada bifurkasi di jalur konduksi. Arus mengalir dari persimpangan ke celah pemisah SRR melalui dua jalur konduktif. Salah satu jalur adalah sepanjang lengan logam di luar SRR, konsisten dengan arah aliran arus permukaan yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Yang lainnya adalah melalui lengan logam di dalam SRR, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c. Di sini, fenomena ini dapat dianalogikan dengan proses pengisian dan pengosongan celah SRR. Faktanya, sudah ada literatur yang memodelkan resonator gabungan dari batang logam dan SRR sebagai sirkuit RLC [23], dan konsep "resonansi LC" telah digunakan selama bertahun-tahun [45, 51]. Celah SRR logam dapat dianggap sebagai kapasitor. Ketika arus permukaan dihantarkan pada lengan logam, meskipun konduktivitas logam tinggi, beberapa hambatan masih ada. Selain itu, di bawah osilasi frekuensi tinggi gelombang elektromagnetik, ada hambatan tertentu untuk perubahan kecepatan tinggi dari arus permukaan. Artinya, ada induktansi. Resistansi dan induktansi lengan logam sebanding dengan panjang lengan logam. Jika dua jalur di sisi luar dan sisi dalam setelah percabangan adalah asimetris, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a, R ₁ lebih kecil dari jumlah R ₂ dan R ₃ , dan L ₁ lebih kecil dari jumlah L ₂ dan L ₃ . Jadi kapan C ₁ diisi dan dikosongkan, kecepatan pada dua jalur selalu berbeda, menghasilkan perbedaan potensial pada celah pemisah SRR. Ini setara dengan eksitasi listrik tambahan yang diterapkan pada celah split SRR dan juga mirip dengan eksitasi medan elektromagnetik eksternal yang diterapkan pada SRR dengan medan listrik terpolarisasi di sepanjang celah split. Telah diketahui dengan baik bahwa mode resonansi LC dalam SRR akan tereksitasi ketika medan listrik yang datang terpolarisasi sepanjang celah pemisah.

Pemodelan sirkuit listrik respons dari metamaterial terahertz yang digabungkan secara konduktif di mana persimpangan berada a di satu sisi garis tengah vertikal SRR; b pada garis tengah vertikal SRR

Namun, jika titik yang menghubungkan resonator batang dan SRR terletak pada garis tengah vertikal SRR, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b, dua jalur di sisi luar dan sisi dalam setelah bifurkasi adalah simetris. Dalam hal ini, R ₁ ' =R ₃ ', L ₁ ' =L ₃ '. Oleh karena itu, kecepatan pengisian dan pengosongan di kedua jalur selalu sama, dan tidak ada beda potensial.

Untuk memverifikasi dugaan di atas, kami merancang dan membuat metamaterial lain, di mana titik-titik yang menghubungkan resonator batang dan SRR terletak di garis tengah vertikal SRR. Jadi, panjang dari dua jalur konduksi, yaitu arus yang mengalir di sepanjang lengan logam di luar atau di dalam SRR, bisa sama. Gambar 7a menunjukkan spektrum simulasi dan terukur dari metamaterial ini. Gambar mikroskopis struktur juga disisipkan di sebelahnya. Baik hasil simulasi maupun eksperimen menunjukkan bahwa hanya ada resonansi dalam rentang frekuensi ini. Meskipun frekuensi resonansi yang diukur secara eksperimental (sekitar 0,85 THz) memiliki beberapa penyimpangan dari frekuensi resonansi yang disimulasikan (sekitar 0,87 THz), yang terutama disebabkan oleh kesalahan eksperimental, kurva yang diukur dan hasil simulasi berada dalam kesepakatan yang baik. Gambar 7b menunjukkan distribusi arus permukaan ketika resonansi struktur ini diinduksi, menunjukkan resonansi LSP yang khas. Karena jarak kedua jalur konduksi adalah sama, jumlah reduksi potensial melalui kedua jalur juga sama; tidak ada beda potensial yang dihasilkan pada celah split; oleh karena itu, resonansi LC dan analog dari fenomena EIT tidak dapat dibentuk.

a Spektrum simulasi dan terukur dari metamaterial terahertz yang digabungkan secara konduktif di mana persimpangan terletak di garis tengah vertikal SRR. b Arus permukaan dari resonansi yang sesuai

Adapun frekuensi resonansi LSP ini (0,87 THz), lebih tinggi dari struktur sebelumnya. Karena pada struktur arus, arus permukaan dapat mengalir melalui dua jalur konduksi. Ini setara dengan rangkaian paralel di mana resistansi dan induktansi lebih kecil daripada salah satu cabang. Ini sama dengan efek melewati jalur konduksi yang lebih pendek. Jalur konduksi menjadi lebih pendek, panjang gelombang resonansi menjadi lebih kecil, dan frekuensi resonansi menjadi lebih tinggi.

Kami juga mensimulasikan pengaruh asimetri dari dua jalur konduksi pada fenomena EIT; hasilnya ditunjukkan pada Gambar 8. Ketika titik yang menghubungkan resonator batang dan SRR bergerak ke atas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8a; amplitudo puncak transmisi meningkat.

Spektrum simulasi dari metamaterial terahertz EIT yang digabungkan secara konduktif a ketika titik yang menghubungkan resonator batang dan SRR bergerak ke atas, b saat batang penghubung di tengah ditekuk, c ketika titik yang menghubungkan resonator batang dan SRR bergerak ke arah luar

Pada Gambar 8b, ketika batang penghubung di tengah dibengkokkan, yaitu untuk mempersiapkan pergerakan titik penghubung ke arah luar, frekuensi daerah serapan EIT menjadi lebih tinggi dengan bertambahnya sudut lentur. Ketika sudut lentur meningkat, lebih banyak bagian dari jalur konduksi yang terhubung secara paralel, yaitu jalur konduksi menjadi lebih lebar, yang sama dengan efek melewati jalur konduksi yang lebih pendek. Jalur konduksi menjadi lebih pendek, panjang gelombang resonansi menjadi lebih kecil, dan frekuensi resonansi menjadi lebih tinggi. Ini juga menjelaskan mengapa frekuensi resonansi pada Gambar 7 lebih tinggi dari pada Gambar 3. Pada Gambar 8c, ketika titik sambungan bergerak ke luar, asimetri berkurang, kecepatan pengisian dan pengosongan C ₁ sepanjang dua jalur cenderung sama; perbedaan potensial menjadi lebih kecil, dan intensitas mode gelap secara bertahap menjadi lebih lemah, yang menyebabkan penurunan puncak transmisi EIT. Ini juga mencerminkan bahwa semakin besar perbedaan antara dua jalur di sepanjang SSR setelah bifurkasi dari titik koneksi, semakin kuat efek EIT.

Kami juga memisahkan struktur EIT metamaterial konduktif dan mempelajarinya secara terpisah. Gambar 9 menunjukkan spektrum simulasi dan terukur dari berbagai komponen struktur. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 9a, struktur gabungan batang logam dan bagian luar SRR menghasilkan resonansi yang signifikan pada 0,72 THz ketika dieksitasi oleh medan listrik terpolarisasi sepanjang y -sumbu. Gambar 9d menunjukkan distribusi arus permukaan ketika resonansi struktur ini diinduksi; ini mirip dengan distribusi yang ditunjukkan pada Gambar. 5a.

Spektrum yang disimulasikan dan diukur dari berbagai komponen dari metamaterial EIT terahertz yang digabungkan secara konduktif:a struktur gabungan batang logam dan bagian luar SRR, b Kombinasi SRR, c struktur gabungan batang logam dan bagian dalam SRR; Gambar mikroskopis dari komponen yang dibuat juga dimasukkan ke dalam spektrum yang sesuai; d-f Arus permukaan dari resonansi yang sesuai di a-c

Meskipun arahnya berbeda, tren keseluruhan arus permukaan dianggap sama, karena medan elektromagnetik yang datang berosilasi bolak-balik. Gambar 9b menunjukkan spektrum kombinasi SRR di bawah eksitasi cahaya datang dengan polarisasi yang berbeda. Ketika medan listrik dipolarisasi tegak lurus terhadap arah celah split, tidak ada resonansi yang terjadi pada kisaran 0,5-1 THz, dan transmisi tetap pada tingkat tinggi. Ketika medan listrik dipolarisasi sejajar dengan celah SRR, resonansi dihasilkan pada 0,78 THz. Gambar 9e menunjukkan distribusi arus permukaan ketika resonansi ini tereksitasi. Arus permukaan bersirkulasi bolak-balik pada permukaan SRR, mirip dengan distribusi yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Namun, arah aliran dari dua arus permukaan pusaran, pada Gambar 5b, adalah cermin-simetris dengan y -sumbu, sedangkan arus permukaan pusaran, pada Gambar. 5e, berada dalam arah yang sama. Ini karena, pada Gambar 9e, resonansi kedua SRR diinduksi oleh medan listrik yang sama. Oleh karena itu, arah arus permukaan vortex adalah sama. Namun, pada Gambar 5b, baik struktur metamaterial yang diusulkan dan arah perbedaan potensial yang dihasilkan pada celah split kedua SRR adalah cermin-simetris dengan y -sumbu, sehingga membuat arus permukaan tereksitasi menjadi simetris dengan y -sumbu juga. Perbedaan frekuensi (0,76 THz vs. 0,78 THz) dapat dikaitkan dengan fakta bahwa arus permukaan pusaran dalam metamaterial konduktif tidak terdistribusi secara ketat hanya di SRR, dan perpanjangan jalur konduksi menyebabkan peningkatan panjang gelombang resonansi, sehingga membuat frekuensi puncak EIT (0,76 THz) sedikit lebih rendah daripada frekuensi resonansi LC dari kombinasi SRR (0,78 THz). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 9c, struktur gabungan batang logam dan bagian dalam SRR menghasilkan resonansi yang signifikan pada 0,79 THz di bawah medan listrik yang tereksitasi sepanjang y -sumbu. Gambar 9f menunjukkan distribusi arus permukaan ketika resonansi struktur ini diinduksi, menunjukkan resonansi LSP yang khas. Resonansi komponen yang disebutkan di atas sesuai dengan kondisi penurunan transmisi frekuensi rendah, puncak transmisi EIT, dan penurunan frekuensi tinggi.