Fotonické struktury a metamateriály pro THz spektrální oblast

Text

Fotonické krystaly a metamateriály jsou uměle připravené struktury, kterou umožňují cíleně manipulovat s elektromagnetickým zářením pomocí pečlivě navržených geometrických rezonancí a interferenčních jevů. Aplikace těchto struktur v THz spektrální oblasti je velmi slibná pro terahertzovou fotoniku zejména v souvislosti s nedostatkem přirozených materiálů se specifickými THz dielektrickými nebo magnetickými vlastnostmi (modulátory, přepínače, filtry, směrovače svazků, nelineární prvky, atd). Zabýváme se zejména návrhem fotonických struktur řízených vnějšími fyzikálními parametry jako jsou elektrické nebo magnetické pole, teplota nebo osvětlení (fotoexcitace). [1]

THz metamateriály jsou umělé struktury složené většinou z periodicky uspořádaných mikro-motivů s vysokým kontrastem elektromagnetických vlastností mezi konstituenty a s rozměry jednotkové buňky mnohem menšími než je THz vlnová délka. Aplikované záření nerozliší detaily takové struktury, a proto se metamateriály chovají jako homogenní materiály se specifickými efektivními optickými vlastnostmi – můžeme jim přiřadit efektivní permitivitu a permeabilitu nebo efektivní index lomu. Návrhem vhodného motivu můžeme připravit metamateriály s optickými vlastnostmi, které se nevyskytují v přírodě. Velký zájem byl například věnován metamateriálům se záporným efektivním indexem lomu, které mají zároveň zápornou permitivitu i permeabilitu. Jelikož záporná permeabilita se přírodních materiálech nenachází nad GHz spektrální oblastí, metamateriály jsou jednou z mála možností, jak těchto jevů docílit.

Záporné permeability se obvykle dosahuje pomocí vrstvy kovových prstencových rezonátorů (tzv. split-ring resonators). Jiný přístup využívá silně lokalizovaného a zesíleného magnetického pole uvnitř dielektrických tyčinek nebo kuliček s vysokou permitivitou. Tento jev je založený na tzv. Mieových rezonancích, které mohou mít elektrický či magnetický charakter. My jsme využili obrábění incipientního feroelektrika SrTiO3 pomocí fokusovaného svazku femtosekundového laseru k vytvoření pole dielektrický tyčinek s laditelnou permitivitou. Magnetická Mieova rezonance s teplotně laditelným intervalem záporné permeability pak byla pozorována v THz oblasti, Obr. 1. [2]

Dielektrická spektra SrTiO3
Popis
Obr. 1: Horní panel: dielektrická spektra monokrystalu SrTiO3 vykazují vysokou permitivitu a významnou laditelnost permitivity s teplotou. Dolní panel: těchto vlastností jsme využili k vytvoření metamateriálové struktury s laditelným efektivním magnetickým chováním.

Podobný výzkum jsme prováděli v případě mikrokuliček TiO2, které byly zasazeny do různých matricí a tvořily tak rigidní metamateriál. [3] Mieovy resonance v těchto strukturách byly též studovány pomocí tzv. metod blízkého pole v THz spektrální oblasti. [4]

Epitaxně připravené napnuté tenké vrstvy SrTiO3 byly použit k vytvoření planárního metamateriálu, který vykazuje frekvenčně laditelnou odezvu v terahertzové oblasti kontrolovanou přiloženým elektrickým napětím.  Aktivní část metamateriálu sestává z periodicky uspořádaného kovového motivu naneseného na vrstvu SrTiO3. Role této kovové struktury je dvojí: způsobuje metamateriálovou rezonanci a umožňuje aplikovat elektrické pole na vrstvu titanátu stroncia, Obr. 2. Napnutý film vykazuje významnou závislost dielektrické permitivity na přiloženém poli, která pak způsobuje frekvenční posuv rezonance. [5]

Schematický pohled na metamateriálovou strukturu
Popis
Obr. 2: Schematický pohled na metamateriálovou strukturu.
Levá část: dvě SrTiO3/DyScO3 dvojvrstvy jsou epitaxně naneseny na DyScO3 substrát orientovaný ve směru (1 1 0); kovové metamateriálové rezonátory nanesené na tuto multivrstvu slouží též jako elektrody k přivedení napětí.
Pravá část: obrázek metamateriálové struktury ze skenovacího elektronového mikroskopu.

[1] P. Kužel and F. Kadlec, Comptes Rendus Physique 9, 197 (2008).
[2] H. Němec, P. Kužel, F. Kadlec, C. Kadlec, R. Yahiaoui, and P. Mounaix, Phys. Rev. B 79, 241108 (2009); R. Yahiaoui, H. Němec, P. Kužel, F. Kadlec, C. Kadlec, and P. Mounaix, Opt. Lett. 34, 3541 (2009).
[3] M. Šindler, C. Kadlec, F. Dominec, P. Kužel, C. Elissalde, A. Kassas, J. Lesseur, D. Bernard, P. Mounaix, and H. Němec, Opt. Express 24, 18340 (2016).
[4] O. Mitrofanov, F. Dominec, P. Kužel, J. L. Reno, I. Brener, U-C. Chung, C. Elissalde, M. Maglione, and P. Mounaix, Opt. Express 22, 23034 (2014); I. Khromova, P. Kužel, I. Brener, J. L. Reno, U.-C. C. Seu, C. Elissalde, M. Maglione, P. Mounaix, and O. Mitrofanov, Laser Photon. Rev. 10, 681 (2016).
[5] C. Kadlec, V. Skoromets, F. Kadlec, H. Němec, H.-T. Chen, V. Jurka, K. Hruška, and P. Kužel, J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 054001 (2018).

Na tématu se podílejí