بخشی از مقاله
چکیده
ما ساختار متامتریال یک بعدي جدیدي را معرفی کرده و با استفاده از تابش عمودي بر سطح ساختار، طیف عبوري و بازتابی را در محدوده فرکانسی تراهرتز به دست آورده ایم. ساختار شامل یک تیغه ي فلزي از جنس نقره است که بر روي زیر لایهاي از دي الکتریک قرار می گیرد. دو میله با سطح مقطع مربعی و از جنس نقره به صورت متقارن بر روي این تیغه ي فلزي قرار دارند.
وجود پذیرفتاري مغناطیسی منفی - - eff 0 را از طریق مقایسه طیف عبوري ساختار اصلی و طیف عبوري ساختار بصورت اتصال کوتاه شده استنباط می کنیم. در حالت اتصال کوتاه شده بدلیل نبود پاسخ مغناطیسی، وجود نوار توقف در طیف عبوري تنها ناشی از وجود گذردهی الکتریکی منفی است. در طیف عبوري ساختار اصلی در فرکانس هایی نوار توقف داریم که در حالت اتصال کوتاه شده در آن فرکانس ها عبور خوبی وجود دارد. این مقایسه اثبات کننده ي وجود پذیرفتاري مغناطیسی منفی است.
مقدمه
مواد با ضریب شکست منفی اولین بار توسط آقاي وسلاگو مورد بحث و بررسی قرار گرفت.[1] آقاي پندري امکان کاستن مقدار فرکانس پلاسمایی را از طریق معرفی یک شبکه دوره اي از سیم ها[2] و امکان ایجاد تشدید مغناطیسی را با معرفی یک شبکه دوره اي از نوسانگر هاي حلقه شکافته [3] مطرح کرد
کمی بعد به سرپرستی اسمیت [4] براي اولین بار، با استفاده از یک ساختار ترکیبی شامل نوسانگرهاي حلقه شکافته و آرایه ي منظم سیم هاي فلزي، ساختاري تجربی را براي ایجاد ماده با ضریب شکست منفی
در محدوده ي فرکانسی مایکروویو ارائه کردند.
شکل :1 یک سلول واحد از ساختار متامتریال پیشنهاد شده. در این سلول مقدار هاي عددي کمیت ها عبارتند از: a=250nm,h=100nm,b=80nm,. c=40nm, d=20nm. بردار میدان الکتریکی موج الکترومغناطیسی فرودي در راستاي محور x، بردار میدان مغناطیسی در راستاي محور y و راستاي انتشار موج محور z است.
بررسی مستقیم ناحیه هاي فرکانسی مربوط به تشدید مغناطیسی و الکتریکی و بنابراین ناحیه هاي داراي ضریب گذردهی الکتریکی منفی و پذیرفتاري مغناطیسی منفی، از روي ضرایب عبور و بازتاب مطلق، که در آزمایشگاه به صورت دقیق قابل اندازه گیري اند، داراي ارزش زیادي است. این روش براي ساختار هاي متامتریال شامل آرایه اي از سیم هاي کوتاه جفت شده و سیم هاي بلند مورد استفاده قرار گرفته است.
در این مقاله ما یک ساختار متامتریال کاملا جدید را معرفی کرده و تنها با استفاده از طیف عبوري و بدون استفاده از روش هاي بازیابی، وجود تشدید مغناطیسی و بنابراین پذیرفتاري مغناطیسی منفی را در محدوده فرکانسی THz نشان داده ایم. ساختار معرفی شده از جمله معدود طرح هایی براي متامتریال هاست که پاسخ مغناطیسی ماده را در محدوده فرکانسی تراهرتز به نمایش می گذارد.
طراحی ساختار متامتریال
یک سلول واحد از ساختار متامتریال پیشنهادي در شکل - 1 - مشاهده می شود. در این ساختار ما تیغه اي از جنس نقره را با ابعاد 100nm ، 250nm ، 250nm، به ترتیب در راستاهاي x و y و z بگونه اي در نظر گرفته ایم که این تیغه از صفحهx y در سمت چپ بر روي زیر لایه اي از جنس قرارFR4گرفته است. بر روي این تیغه ي نقره اي، دو میله با طول هاي برابر و سطح مقطع هاي مربعی، بطور متقارن قرار گرفته اند. ابعاد ساختار مطابق پارامتر هاي نشان داده شده در شکل عبارتند از: b 80nm ، c 40nm ، h 100nm ، a 250nm و . d 20nm این سلول واحد به صورت دوره اي و منظم در راستاهاي x و y ، به ترتیب با دوره هاي برابر با 460nmو 250nm قرار می گیرند و در راستاي z ، این ساختار تنها شامل یک لایه است.
نتایج شبیه سازي و بحث در مورد آن ها در شبیه سازي ما یک سلول واحد از ساختار را در نظر گرفته و شرایط مرزي دوره اي را در راستاهاي x و y اعمال کردیم. با این کار تکرار سلول واحد در دو راستاي ذکر شده تضمین می شود. در راستاي z ، اندازه سلولي محاسباتی را 3 برابر اندازه سلول واحد در راستاي z انتخاب کرده، در دو انتهاي سلول
محاسباتی از لایه هاي جذب کننده PML استفاده کردیم. چشمه نور را به صورت یک چشمه صفحه اي گاوسی در سمتی که زیر لایه قرار ندارد و درست بعد از لایه جذب کننده ي PML قرار دادیم و براي آشکارسازي طیف هاي عبوري و بازتاب از دو آشکارساز صفحه اي در صفحه هاي x y در دو انتهاي سلول محاسباتی بیرون از لایه هاي جذب کننده استفاده کردیم.
قطبش موج الکترو مغناطیسی فرودي را طوري در نظر گرفتیم که میدان الکتریکی موج در راستاي میله ها - راستاي - x قرار گیرد و میدان مغناطیسی موج به صورت عمود بر سطح ساخته شده توسط دو میله - راستاي - y قرار گیرد. بنابراین بردار انتشار موج - بردار - k در راستاي محور z است. براي بررسی پاسخ الکتریکی فلز نقره از مدل الکترون آزاد درود به صورت استفاده کردیم.
شکل :2 طیف عبوري و بازتاب براي ساختار متامتریال اصلی
با توجه به اینکه میدان الکتریکی در قطبش نور فرودي در راستاي میله هاست، باعث بر انگیختگی دو قطبی هاي الکتریکی در راستاي میله ها شده و بنابراین باعث ایجاددر یک پاسخ الکتریکی ماده می گردد. از طرفی بردار میدان مغناطیسی بر موج که عمود صفحه ي تشکیل شده از دو میله است باعث ایجاد تشدید مغناطیسی در ساختار گشته و بنابراین پاسخی مغناطیسی را در ماده ایجاد کند. ساختار حلقه گونه ي تشکیل شده از دو میله و تیغه ي نقره اي زیرین باعث رفتار القاگري و انتهاي آزاد میله ها باعث رفتاري خازنی می گردد. میدان مغناطیسی متغیر عمود بر سطح حلقه باعث ایجاد جریان القایی در حلقه گردیدهتشدیدومی تواند مغناطیسی را در ساختار القا کند - همانند یک مدار . - LC این ساختار با ماهیتی حلقه گونه طرحی شبیه به نوسانگرهاي حلقه شکافته را یاد آوري می کند که مسوول ایجاد پاسخ مغناطیسی در متامتریال هاي ساخته شده اولیه در محدوده ي طول موجی مایکروویو بودند.
شکل :3 طیف عبوري و بازتاب براي ساختار غیر مغناطیسی - اتصال کوتاه شده -
هنگامی که دو انتهاي آزاد میله ها را با سیمی نقره اي، در راستاي محور z با ابعاد کوچکتر از ابعاد میله ها، به هم متصل کنیم، خصوصیت خازنی دو انتها از بین رفته و بنابراین ساختار دیگر نمی تواند پاسخی مغناطیسی را ارائه کند. پس رفتار ماده در مقابل موج الکترومغناطیسی فرودي تنها به دلیل پاسخ الکتریکی ماده است.
به دلیل اینکه سیم هاي استفاده شده براي ایجاد اتصال کوتاه در راستاي z بوده و راستاي میدان الکتریکی در راستاياست، x افزودن این سیم ها تاثیر چندانی در پاسخ الکتریکی ساختار ندارد. ما ابتدا ساختار متامتریال را به همان صورت پیشنهاد شده در شکل - 1 - بررسی کرده، طیف عبوري و بازتاب را براي آن به دست آوردیم. نتایج این محاسبات در شکل - 2 - نشان داده شده است.
در این شکل ناحیه هاي فرکانسی نوار عبوري و نوار توقف مشخص است. از فرکانس 376 تراهرتز تا فرکانس 487 رفتارتراهرتز ساختار داراي افت و خیز هایی است، بنابراین توجه خود را به این ناحیه معطوف می کنیم. در فرکانس 384 تراهرتز یک نوار توقف مشاهده می شود. بعد از آن یک نوار عبوري داریم و دوباره در فرکانس 463 تراهرتز مجددا یک نوار توقف دیگر مشاهده می شود. پس از آن از فرکانس 486 تراهرتز تا 600 تراهرتزنوار عبوري داریم.
