بخشی از مقاله
چکیده :
در این مقاله به بررسی ساختار"تورماهیگیری" به عنوان نانوساختاری با خاصیت فرامادهای ضریب شکست نوری منفی در گسترهی فرکانسی تراهرتز پرداختهایم. سپس با اصلاح آن، ساختار جدیدی را با خواص فرامادهای با فرکانس عملکردی بالاتر ارائه دادهایم. درپایان، به کمک مدل مدارمعادل این دو ساختار و با استفاده از شبیه سازی عددی به روش تفاضل متناهی در حوزه زمان به صورت سه بعدی و بر اساس مدل درود ، نشان دادهایم که فرکانس تشدید ساختار پیشنهادی در گسترهی عملکرد فرا مادهای حدود ًُ تراهرتز نسبت به ساختار اصلی افزایش یافته است.
مقدمه
یک فراماده به ساختاری اتلاق می شود که دستساز بشر است و دارای خواص ویژه ای است که در مواد طبیعی یافت نمی شود. از جمله ی این خواص میتوان به ضریب شکست
منفی فراماده اشاره کرد. این پدیده، ناشی از منفی بودن توأمان گذردهی الکتریکی و نفوذپذیری مغناطیسی موثر اینگونه ساختارها است]
ضریب شکست منفی، به تناسب ساختار فراماده و ابعاد آن، در گسترهی خاصی از فرکانس، پدیدار میشود. از زمان تحقق فیزیکی اولین ساختاری که دارای ضریب شکست منفی بود، قریب به یک دهه میگذرد. فرکانس عملکرد فرامواد ابتدایی در گسترهی گیگاهرتز یا ریزموج بود. اینک موادی طراحی و ساخته شده است که فرکانس عمل کردشان در گستره ی تراهرتز - فروسرخ و مرئی - رسیده است
برخی از کاربردهایی که برای این دسته از فرامواد پیشبینی شده و میشود عبارتند از ساخت ابرلنزها، تصویربرداری در ناحیهی زیر محدوده پراش، و نامرئیسازی اجسام.
ساختار "تور ماهیگیری"
رایجترین ساختار فراماده درگستره های تراهرتز و نورمریی، ساختاری موسوم به تورماهی گیری است ]َ.[ نحوهی شکلگیری جزء اصلی این ساختار در شکل ٌ نمایش داده شده است . همانگونه که دراین شک ل دیده می شود، جز ء اصلی سازنده ساختار "تور ماهی گیری" شامل یک زوج نانوسیم و یک زوج نانوصفحه است. با تکرار متناوب جزء اصلی میتوان فرامادهای برای گسترهی مریی بهدست آورد.
شکل : اجزا سازنده ساختار "تور ماهیگیری" متشکل از یکزوج نانوسیم و یک زوج نانو صفحه.
یکی از راه های توجیه رفتار ساختارهای فرامواد، مدل سازی اجزاء ساختار آن ابعنصرهای الکتریکی و تحلیل مدار معادل ساختار است. ازاین طریق میتوان به عملکرد ساختار پی برد.
دراین مقاله با بررسی اصول فیزیکی عملکرد ساختار "تورماهی گیری" و به دست آوردن مدار م عادل ساختار و
تحلیل آن، ساختار جدید ی را پیشنهاد می دهیم که در گسترهی نور مرئی رفتار فراماده ای از خود بروز میدهد.
عملکرد فرامادهای "تور ماهیگیری"
اگر پلاریزاسیون موج برخوردی به "تور ماهی گیری" بهصورت مشخصشده در شکل ٌ باشد، مجموعهی زوج نانوسیمهای فلزی همانند یک پلاسمای الکتریکی رفتار کرده و در فرکانس های کوچکتر از فرکانس پلاسمای موثر ساختار، گذردهی الکتریکی را منفی می کنند
از سوی دیگر با توجه به جهت برخورد میدان مغناطیسی به زوج نانو-صفحات فلزی، جریان هایی در هر دو صفحه ی موازی القا میشود که بر خلاف جهت یکدیگر اند و باعث ایجاد تشدید مغناطیسی و نفوذپذیری مغناطیسی منفی برای ساختار میشو دن
برای بدست آوردن مدل الکتریکی ساختار "تور ماهی گیری" از چگونگی شارش جریان در اثر اعمال میدان مغناطیسی استفاده میشود. اگر سلول واحد ساختار "تور ماهی گیری" هبصورت شکل ٍ - الف - در نظر گرفته شود، با توجه به مرجع چگونگی شارش جریان در اثر اعمال میدان مغناطیسی، بر روی سطح فلزی در این سلول، بصورت نمایش داده شده در شکل ٍ - ب - است.
شکل : - الف - صفحه فلزی فوقانی در سلول واحد ساختار "تور ماهیگیری
شکل : - ب - چگونگی شارش جریان در این صفحه با اعمال میدان مغناطیسی
جهت جریان در قسمت بالایی و پایینی صفحه فلزی ، که همان سیم های فلزی نازک ممتد ساختار را می سازند بر
خلاف جهت جریان بر روی سطح صفحه می باشد که در شکل ٍ - ب - دیده میشود. این قضیه برای هر دو صفحه فلزی فوقانی و تحتانی سازنده هر سلول، صادق است با این تفاوت که جهت جریانات در دو صفحه، معکوس می باشد.
با توجه به این شکل، بارهای الکتریکی در دو قسمت که هریک محل اتصال سیم نازک به سطح فلزی ضخیم است تجمع می یابند. این مسئله برای بارهای مخالف در صفحه تحتانی نیز اتفاق می افتد. بارهای الکتریکی تجمع یافته با علامت مخالف در صفحات فوقانی و تحتانی یادآور عملکرد خازنی ساختار است . این دو محل تجمع، با دو خازن مدل میشوند که لایه دیالکتریک ساختار نیز دیالکتریک این خازنها تلقی میشود.
از سوی دیگر میتوان هر یک از دو صفحه فلزی بزرگ را توسط دو سلف - L - مدل کرد. ساختار "تور ماهی گیری" با توجه به شکل ٍ - الف - ، علاوه بر دو صفحه فلزی بزرگ، شامل دو صفحه فلزی کوچک نیز می باشد که به دو صفحه بزرگ متصل شده اند. این دو صفحه نیز توسط دو سلف - l - مدل می شوند. این سلفها درهردو صفحهی فوقانی و تحتانی وجود دارند، لذا به مدل نمایش داده شده در شکل - َ - برای سلول واحد این ساختار دست می یابیم ]ّ.[ فرکانس تشدید این مدار LC که مدل الکتریکی ساختار "تور ماهی گیری" است از رابطه ٌ بدست می آید.
شکل : مدار الکتریکی معادل سلول واحد ساختار "تور ماهیگیری".
میتوان قسمتهایی از سطوح زوج صفحات فلزی بزرگ را که محل تجمع بارهای الکتریکی اند بهعنوان سطح موثر
صفحههای خازنی درنظرگرفت.
در ساختار پیشنهادی، برای کاهش ظرفیت خازن ها، لایه دیالکتریک را به گونه ای جدید در میان صفحههای فلزی قرار د ادهایم که سطح موثر کاهش یا بد و از گذردهی الکتریکی موثر لایه جداسازنده بکاهد. ازاین روظرفیت
خازنی کاهش مییابد. در این وضعیت، چگونگی قرارگیری ماده جداکننده، به گونهای متفاوت از لایه های فلزی ساختار "تور ماهی گیری" است.
در شکل نمای از بالای سلول واحد دو ساختار " تور ماهی گیری" - الف - و پیشنهادی - ب - مقایسه شده است. دراین شکل جانمایی لایه ی دی الکتریک در میان نانوصفحه ها نمایش داده شده است . قسمتهای قهوهای نمایانگر MgF2 و بخشهای آبی رنگ هواست.
شکل : وضعیت قرارگرفتن لایه دیالکتریک در - الف - ساختار "تورماهیگیری" - ب - ساختار اصلاح شده
ابعاد نمایش داده شده در ساختار برحسب نانومتر عبارتند از:
- ساختار پیشنهادی تشدید مغناطیسی ساختارهای فرامواد، ناشی از تشدید مدار
LC موجود در این ساختارها است. از ابطه ملاحظه میشود، با کاهش ظرفیت خازنی مدار، فرکانس نوسان
ساختار و ازاینرو فرکانس عملکرد فراماده ای آن افزایش مییابد. ظرفیت خازن ناشی از دو صفحه ی فلزی موازی به فاصله ی d و سطح مقطع A که میان آن ها با عایقی با ضریب نسبی دی الکتریک εc پر شده باشد، برابراست با C=εcε0A/d، که در آن ε0 ضریب نفوذپذیری فضای آزاد است . با کوچکسازی εc میتوان ظرفیت خازن را کاهش و درنتیجه فرکانس تشدید را افزایش داد .
درساختار "تورماهیگیری" باتوجه به اینکه در ساختار جدید بخشی از لایه های دیالکتریک حذف شده و هوا جای آن را اشغال کرده است، خازن مؤثر ساختار کوچکتر و در نتیجه فرکانس تشدید مغناطیسی افزایش میابد.
نتایج شبیه سازی
برای شبیهسازی ساختار، از روش تفاضل متناهی در حوزه زمان بر مبنای مدل درود به صورت سه بعدی استفاده شده است]ْوَ.[ هدف از شبیه سازی، به دست آوردن ضریب شکست ساختار برحسب فرکانس است. ازاینطریق میتوان گستره ی فرکانس عملکرد فراماده ای را در صورت وجود - منفی شدن ضریب شکست - ، به دست آورد.
