hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ ở vùng khả kiến
Hiệu ứng EIT thường có nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực quang học và quang điện tử. Một trong những đặc trưng thú vị của hiệu ứng là khả năng làm chậm ánh sáng truyền qua vật liệu. Sự tán sắc mạnh của môi trường do hiệu ứng EIT gây ra luôn đi kèm với hiệu ứng làm chậm ánh sáng . Để làm rõ hơn đặc trưng này, Hình 3.11 trình bày các kết quả nghiên cứu về phổ truyền qua, pha của phổ truyền qua, chiết suất nhóm và độ trễ nhóm của EIT-MM. Độ trễ thời gian được xác định theo công thức sau :
g d d (3.2)
trong đó φ là pha của phổ truyền qua. Giá trị chiết suất nhóm của EIT-MM được tính theo công thức: g g g d c c c n D D d (3.3)
với c là vận tốc ánh sáng trong chân không, vg và τg là vận tốc nhóm và độ trễ nhóm của ánh sáng trong EIT-MM và D là chiều dày của vật liệu.
Hình 3.11. (a)Phổ truyền qua, (b) pha, (c) chiết suất nhất nhóm và (d) độ trễ nhóm của cấu trúc EIT tối ưu.
Kết quả cho thấy rằng, trong vùng xảy ra hiệu ứng EIT, vật liệu bị tán sắc mạnh do sự biến đổi liên tục của biên độ và pha truyền qua. Sự biến đổi liên tục này gây ảnh hưởng lên vận tốc của ánh sáng truyền qua vật liệu, khiến cho ánh sáng truyền qua EIT-MM bị chậm hơn so với môi trường không khí. Kết quả cho thấy, độ trễ nhóm thu được là 0,31 ps tại vị trí đỉnh truyền qua của hiệu ứng EIT. Trong trường hợp này, chiết suất nhóm tương ứng đạt đến giá trị cực đại là 945. Các giá trị tính toán thu được gợi ý rằng EIT-MM sử dụng cấu trúc điện môi có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực và thiết bị quang học khai thác khả năng làm chậm ánh sáng.
Với những tính chất trên, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng trong cảm biến, Hình 3.12 trình bày kết quả khảo sát sự thay đổi tính chất truyền qua của EIT-MM đã được tối ưu khi đặt trong các môi trường có chiết suất khác nhau. Trong mô phỏng
Hình 3.12. Sự phụ thuộc của (a) phổ truyền qua và (b) tần số của đỉnh truyền qua vào giá trị chiết suất n của môi trường xung quanh.
này, vật liệu biến hóa được đặt trong môi trường có chiết suất n thay đổi trong khoảng từ 1 tới 1.1. Kết quả trên Hình 3.12(a) cho thấy, phổ truyền qua và các đỉnh cộng hưởng của EIT-MM có xu hướng dịch chuyển về phía tần số thấp khi giá trị chiết suất của môi trường xung quanh tăng dần. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của chiết suất môi trường lên tần số của các đỉnh truyền qua cũng được biểu diễn trên Hình 3.12(b). Dựa trên đồ thị này, độ nhạy của EIT-MM với sự thay đổi chiết suất môi
trường xung quanh được tính toán là 135 nm/RIU (Refractive index unit). Giá trị độ nhạy của EIT-MM đề xuất gần như tương đương với các kết quả được công bố trước đây . Điều này cho thấy, EIT-MM có tiềm năng ứng dụng làm cảm biến chiết suất của môi trường.
KẾT LUẬN
Trong luận văn này, vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ hoạt động ở vùng khả kiến đã được đề xuất và nghiên cứu. Các kết quả chính của luận văn được tổng kết lại như sau:
- Đã thiết kế được mô hình cấu trúc vật liệu biến hóa có thể tạo ra hiệu ứng EIT. Cả hai loại vật liệu kim loại (vàng) và điện môi (Si) lần lượt được chọn để tạo ra cấu trúc cộng hưởng và sự ảnh hưởng của chúng lên tính chất của vật liệu đã được nghiên cứu.
- EIT-MM sử dụng cấu trúc kim loại có cường độ cộng hưởng yếu, khiến cho sự chênh lệch về độ truyền qua giữa các trạng thái không truyền qua và truyền qua trong hiệu ứng EIT thấp. Các kết quả chỉ ra rằng, việc thu nhỏ cấu trúc EIT-MM để hoạt động ở vùng khả kiến có thể không khả thi trong thực tế do giới hạn về kích thước cũng như sự suy yếu của cộng hưởng do tổn hao.
- EIT-MM sử dụng cấu trúc điện môi có cường độ cộng hưởng mạnh, khiến cho sự chênh lệch về độ truyền qua giữa các trạng thái không truyền qua và truyền qua trong hiệu ứng EIT là lớn. Ưu điểm này là do thành phần kim loại trong cấu trúc cộng hưởng gần như không tổn hao ở vùng khả kiến.
Hiệu ứng EIT đã được tối ưu về độ phẩm chất thông qua việc thay đổi tham số cấu trúc. Sau đó, đặc trưng tán sắc của EIT-MM tối ưu đã được nghiên cứu. Độ trễ nhóm và chiết suất nhóm của vật liệu tương ứng có thể đạt đến giá trị 0,31 ps và 945. Kết quả nghiên cứu cho thấy EIT-MM đề xuất có khả năng làm chậm ánh sáng, vì thế có thể hữu dụng trong các thiết bị linh kiện quang học và quang điện tử. Ngoài ra, nghiên cứu trong luận văn cũng chỉ ra rằng vật liệu có tiềm năng ứng dụng làm cảm biến. Độ nhạy của vật liệu đối với chiết suất của môi trường xung quanh là 135 nm/RIU.
ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Luận văn đã bước đầu đã đề xuất mô hình cấu trúc và tìm ra loại vật liệu phù hợp để tạo ra EIT-MM hoạt động ở vùng khả kiến. Các kết quả trong luận văn sẽ là tiền đề để phát triển tiếp một số hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai:
- Thiết kế, chế tạo và nghiên cứu EIT-MM đa đỉnh hoạt động ở vùng quang học và khả kiến.
- Thiết kế, chế tạo và nghiên cứu EIT-MM không phụ thuộc vào sự phân cực của ánh sáng tới.
- Nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học dựa trên EIT-MM hoạt động ở vùng quang học và khả kiến.
CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
[1] Pham The Linh, Nguyen Thi Viet Ninh, Nguyen Dinh Quang, Tran Tien
Lam, Nguyen Van Ngoc, Bui Xuan Khuyen, Nguyen Thi Hien, Vu Dinh Lam and Bui Son Tung, All-dielectric metamaterial for electromagnetically-induced transparency in optical region, Communications in Physics, 30(2) 189-196 (2020).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] R. A. Shelby, D. R. Smith, and S. Schultz, Science 292, 77 (2001).
[2] H. T. Nguyen, T. S. Bui, S. Yan, G. A. E. Vandenbosch, P. Lievens, L. D. Vu, and E. Janssens, Appl. Phys. Lett. 109, 221902 (2016).
[3] S. H. Lee, C. M. Park, Y. M. Seo, and C. K. Kim, Phys. Rev. B 81, 241102 (2010).
[4] Z. Duan, X. Tang, Z. Wang, Y. Zhang, X. Chen, M. Chen, and Y. Gong, Nature Commun. 8, 14901 (2017).
[5] V. G. Veselago, “The electrodynamics of substances with negative ε and μ”, Sov. Phys. Usp. 10, 509 (1968).
[6] D. R. Smith, W. J. Padilla, D. C. Vier, S. C. Nemat-Nasser, and S. Schultz, Phys. Rev. Lett. 84, 4184 (2000).
[7] N. I. Landy, S. Sajuyigbe, J. J. Mock, D. R. Smith, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 100, 207402 (2008).
[8] B. X. Khuyen, B. S. Tung, Y. J. Yoo, Y. J. Kim, V. D. Lam, J. G. Yang, and Y. P. Lee, Curr. Appl. Phys. 16, 1009 (2016).
[9] B. X. Khuyen, B. S. Tung, Y. J. Yoo, Y. J. Kim, K. W. Kim, L.-Y. Chen, V. D. Lam, and Y. P. Lee, Sci. Rep. 7, 45151 (2017).
[10] F. Ding, Y. Cui, X. Ge, Y. Jin, and S. He, Appl. Phys. Lett. 100, 103506 (2012).
[11] Y. Zhang, J. Duan, B. Zhang, W. Zhang, and W. Wang, J. Alloys. Compd. 705, 262 (2017).
[12] H. Tao, C. M. Bingham, A. C. Strikwerda, D. Pilon, D. Shrekenhamer, N. I. Landy, K. Fan, X. Zhang, W. J. Padilla, and R. D. Averitt, Phys. Rev. B 78, 241103 (2008).
[13] W. Wang, K. Wang, Z. Yang, and J. Liu, J. Phys. D: Appl. Phys. 50, 135108 (2017).
[14] X. Liu, T. Starr, A. F. Starr, and W. J. Padilla, Phys. Rev. Lett. 104, 207403 (2010).
[15] D. Hasan, P. Pitchappa, J. Wang, T. Wang, B. Yang, C. P. Ho, and C. Lee, ACS Photonics 4, 302 (2017).
[16] J. Hao, J. Wang, X. Liu, W. J. Padilla, L. Zhou, and M. Qiu, Appl. Phys. Lett. 96, 251104 (2010).
[17] W. Wang, Y. Qu, K. Du, S. Bai, J. Tian, M. Pan, H. Ye, M. Qiu, and Q. Li, Appl. Phys. Lett. 110, 101101 (2017).
[18] S. Zhang, D. A. Genov, Y. Wang, M. Liu, and X. Zhang, Phys. Rev. Lett. 101, 047401 (2008).
[19] J. B. Pendry, A. J. Holden, W. J. Steward, I. Youngs, "Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures", Phys. Rev. Lett. 76, 4773 (1996).
[20] J. Pendry, A. Holden, D. Robbins, W. Stewart, “Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 47, 2075 (1999).
[21] B. S. Tung, B. X. Khuyen, Young Joon Yoo, Joo Yull Rhee, Ki Won Kim, Vu Dinh Lam, and Young Pak Lee, "Reversibly-propagational metamaterial absorber for sensing application," Mod. Phys. Lett. B 32, 1850044 (2018).
[22] C. Soukoulis, M. Wegener, “Past achievements and future challenges in the development of three-dimensional photonic metamaterials,” Nat. Photonics 5, 523–531 (2011).
[23] T. S. Pham, A. K. Ranaweera, V. D. Lam, J.-W. Lee, “Experiments on localized wireless power transmission using a magneto-inductive wave two- dimensional metamaterial cavity”, Appl. Phys. Express 9, 044101 (2016). [24] N. Liu, T. Weiss, M. Mesch, L. Langguth, U. Eigenthaler, M. Hirscher,
C. Sönnichsen, “Planar metamaterial analogue of electromagnetically induced transparency for plasmonic sensing”, H. Giessen, Nano Lett. 10, 1103–1107 (2010).
[25] N. Liu, M. Mesch, T. Weiss, M. Hentschel, H. Giessen, “Infrared perfect absorber and its application as plasmonic sensor”, Nano Lett. 10, 2342– 2348 (2010).
[26] B. Reinhard, K. M. Schmitt, V. Wollrab, J. Neu, R. Beigang, M. Rahm, “Metamaterial near-field sensor for deep-subwavelength thickness measurements and sensitive refractometry in the terahertz frequency range”, Appl. Phys. Lett. 100, 221101 (2012).
[27] X. Wu, B. Quan, X. Pan, X. Xu, X. Lu, C. Gu, L. Wang, “Alkanethiol- functionalized terahertz metamaterial as label-free, highly-sensitive and specific biosensor”, Biosens. Bioelectron. 42, 626–631 (2013).
[28] P. C. Wu, G. Sun, W. T. Chen, K.-Y. Yang, Y.-W. Huang, Y.-H. Chen, H. L. Huang, W.-L. Hsu, H. P. Chiang, Din Ping Tsai, “Vertical split- ring resonator based nanoplasmonic sensor”, Appl. Phys. Lett. 105, 033105 (2014).
[29] T. S. Bui, T. D. Dao, L. H. Dang, L. D. Vu, A. Ohi, T. Nabatame, Y. P. Lee, T. Nagao, C. V. Hoang, Sci. Rep. 6, 32123 (2016).
[30] B. Wang, K. H. Teo, T. Nishino, W. Yerazunis, J. Barnwell, J. Zhang, Appl. Phys. Lett. 98, 254101 (2011).
[31] B. Wang, K. H. Teo, T. Nishino, W. Yerazunis, J. Barnwell, J. Zhang, Proceedings of European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP 2011), 3905-3908, 11–15 Apr 2011, Rome, Italy.
[32] J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000).
[33] D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr, D. R. Smith, Science 314, 977–980 (2006).
[34] D. Stroud, Phys. Rev. B 12, 3368 (1975). [35] O. Hunderi, Phys. Rev. B 7, 3419 (1973).
[36] T. Koschny, M. Kafesaki, E. N. Economou, and C. M. Soukoulis, "Effective Medium Theory of Left-Handed Materials", Phys. Rev. Lett. 93, 107402,
(2004).
[37] D. Smith, W. J. Padilla, D. Vier, S. C. Nemat-Nasser, S. Schultz, Phys. Rev. Lett. 84, 4184 (2000).
[38] S. A. Ramakrishna, T. M. Grzegorczyk, “Physics and Applications of Negative refractive index Materials, Taylor & Francis Group, LLC (2009).
[39] W. Cai, V. Shalaev, “Optical Metamaterials: Fundamentals and
Applications”, Springer, New York (2010).
[40] H. Guo, N. Liu, L. Fu, H. Schweizer, S. Kaiser, H. Giessen, “Negative permeability around 630 nm in nanofabricated vertical meander metamaterials”, Phys. Stat. Sol. (b) 244, 1256 (2007).
[41] S. Linden, C. Enkrich, M. Wegener, J. Zhou, T. Koschny, C. M. Soukoulis, “Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz”, Science 306, 1351 (2004).
[42] J. Pendry, A. Holden, D. Robbins, W. Stewart, “Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 47, 2075 (1999).
[43] C. Rockstuhl, F. Lederer, C. Etrich, T. Zentgraf, J. Kuhl, and H. Giessen, “On the reinterpretation of resonances in split-ring-resonators at normal incidence”, Opt. Express 14, 8827 (2006).
[44] V. D. Lam, J. B. Kim, N. T. Tung, S. J. Lee, Y. P. Lee, J. Y. Rhee, “Dependence of the distance between cut-wire-pair layers on resonance frequencies”, Opt. Exp. 16, 5934 (2008).
[45] J. Zhou, E. N. Economon, T. Koschny, C. M. Soukoulis, "Unifying approach to left-handed material design", Opt. Lett. 31, 3620 (2006). [46] S. E. Harris, "Electromagnetically induced transparency", Phys. Today
50, 36 (1997).
[47] M. Bajcsy, A. S. Zibrov, M. D. Lukin, "Stationary pulses of light in an atomic medium", Nature426, 638 (2003).
[48] W. Harshawardhan, G. S. Agarwal, "Controlling optical bistability using electromagnetic-field-induced transparency and quantum interferences",
Phys. Rev. A 53, 1812 (1996).
[49] N. Papasimakis, V. A. Fedotov, N. I. Zheludev, S. L. Prosvirnin, "Metamaterial analog of electromagnetically induced transparency",
[50] N. Liu, L. Langguth, T. Weiss, J. Kastel, M. Fleischhauer, T. Pfau, H. Giessen, "Plasmonic analogue of electromagnetically induced transparency at the Drude damping limit", Nature Mater.8, 758 (2009). [51] V. T. T. Thuy, N. T. Tung, J. W. Park, V. D. Lam, Y. P. Lee, J. Y. Rhee,
"Highly dispersive transparency in coupled metamaterials", J. Opt. 12, 115102 (2010).
[52] S. Y. Chiam, R. Singh, C. Rockstuhl, F. Lederer, W. L. Zhang, A. A. Bettiol, "Analogue of electromagnetically induced transparency in a terahertz metamaterial", Phys. Rev. B80, 153103 (2009).
[53] L. Zhang, P. Tassin, T. Koschny, C. Kurter, S. M. Anlage, C. M. Soukoulis, "Large group delay in a microwave metamaterial analog of electromagnetically induced transparency", Appl. Phys. Lett. 97, 241904 (2010).
[54] J. J. Zhang, S. S. Xiao, C. Jeppesen, A. Kristensen, N. A. Mortensen, "Electromagnetically induced transparency in metamaterials at near- infrared frequency", Opt. Express18, 17187 (2010).
[55] R. Singh, I. A. I. Al-Naib, Y. P. Yang, D. R. Chowdhury, W. Cao, C. Rockstuhl, T. Ozaki, R. Morandotti, W. L. Zhang, "Observing metamaterial induced transparency in individual Fano resonators with broken symmetry", Appl. Phys. Lett.99, 201107 (2011).
[56] J. Gu, R. Singh, X. Liu, X. Zhang, Y. Ma, S. Zhang, S. A. Maier, Z. Tian, A. K. Azad, H.-T. Chen, A. J. Taylor, J. Han, W. Zhang, "Active control of electromagnetically induced transparency analogue in terahertz metamaterials", Nat. Commun.3, 1151 (2012).
[57] W. Cao, R. Singh, C. H. Zhang, J. G. Han, M. Tonouchi, W. L. Zhang, "Plasmon-induced transparency in metamaterials: Active near field coupling between bright superconducting and dark metallic mode resonators", Appl. Phys. Lett.103, 101106 (2013).
[58] S. H. Mousavi, A. B. Khanikaev, J. Allen, M. Allen, G. Shvets, "Gyromagnetically induced transparency of metasurfaces", Phys. Rev.
[59] Y. M. Yang, Kravchenko, D. P. Briggs, J. Valentine, "All-dielectric metasurface analogue of electromagnetically induced transparency", Nat.
Commun. 5, 5753 (2014).
[60] F. Y. Meng, Q. Wu, D. Erni, K. Wu, J. C. Lee, "Polarization- independent metamaterial analog of electromagnetically induced transparency for a refractive-index-based sensor", IEEE Trans, Microw.
Theory Tech. 60, 3013 (2012).
[61] B. Gallinet, O. J. F. Martin, "Refractive index sensing with subradiant modes: A framework to reduce losses in plasmonic nanostructures", ACS Nano7, 6978 (2013).
[62] C. H. Wu, A.B. Khanikaev, G. Shvets, "Broadband slow light metamaterial based on a double-continuum Fano resonance", Phys. Rev.
Lett. 106, 107403 (2011).
[63] K. L. Tsakmakidis, A. D. Boardman, O. Hess, "‘Trapped rainbow’ storage of light in metamaterials", Nature 450, 397 (2007).