cấu trúc điện môi hoạt động ở vùng quang học
Trong nghiên cứu này, cấu trúc EIT-MM được đề xuất dựa trên vật liệu điện môi 2 lớp, một lớp cấu trúc gồm 2 thanh ngang và 1 thanh dọc Silicon (Si), một lớp đế bên dưới là điện môi Silicon dioxide (SiO2) với các tham số cấu trúc như trên Hình 3.4. Kích thước ô cơ sở của cấu trúc là p = 500 nm. Độ dài hai thanh ngang là l1 = l2 = 300 nm, độ dài thanh dọc là l3 = 300 nm, chiều rộng của các thanh đều là w = 50 nm, độ dày các thanh bằng nhau và bằng ts = 50 nm, độ dày lớp đế SiO2 là tm = 50 nm. Khoảng cách giữa hai thanh ngang là d1 = 50 nm, khoảng các từ tâm của ô cơ sở tới thanh dọc là d2. Khi d2 = 0, thanh dọc nằm ở giữa ô cơ sở.
Hình 3.4. Cấu trúc ô cơ sở của EIT-MM. Điện môi SiO2 và điện môi Si được biểu thị bằng màu nâu và màu xanh dương tương ứng. Sóng điện từ chiếu tới được phân cực như
trong hình vẽ.
Hình 3.5. Giá trị phần thực và phần ảo của độ điện thẩm của Si và SiO2.
Các tham số vật liệu của Si và SiO2 cho cấu trúc EIT-MM thu được từ thực nghiệm. Hình 3.5 biểu diễn các giá trị độ điện thẩm của hai vật liệu này với các giá
trị phần thực và phần ảo tương ứng. Trong vùng bước sóng khảo sát từ 580 nm đến 670 nm, phần thực của độ điện thẩm của Si giảm nhẹ từ 16 xuống 15 khi bước sóng tăng dần, trong khi phần thực của độ điện thẩm của SiO2 tương đổi ổn định với giá trị xấp xỉ 2,5. Cả Si và SiO2 gần như không tổn hao với các giá trị phần ảo của độ điện thẩm đều xấp xỉ 0.
3.2.2. Nghiên cứu tính chất điện từ của vật liệu biến hóa có hiệu ứng truyền qua cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc điện môi ở vùng khả kiến cảm ứng điện từ sử dụng cấu trúc điện môi ở vùng khả kiến
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung phân tích phổ truyền qua và các tính chất điện từ của MM khi thay đổi các tham số cấu trúc. Đầu tiên, tính chất của EIT-MM khi cấu trúc ô cơ sở của vật liệu là đối xứng (d2 = 0) được khảo sát trên Hình 3.6. Có thể thấy, trong trường hợp đối xứng, chỉ có một đỉnh cộng hưởng cơ bản được kích thích tương ứng với một vùng không truyền qua hẹp xung quanh 636 nm. Tại vị trị đáy của phổ truyền qua (636 nm), độ truyền qua rất thấp, nhỏ hơn 10%. So sánh với EIT-MM sử dụng cấu trúc kim loại ở mục 3.1 với độ truyền qua tại đáy là 63%, cộng hưởng trong EIT-MM mạnh hơn rất nhiều. Sự tăng cường độ cộng hưởng là do cấu trúc cộng hưởng của vật liệu được tạo bởi Si gần như không tổn hao như được thể hiện trên Hình 3.5.
Hình 3.7. Phân bố điện trường tại bước sóng cộng hưởng 636 nm.
Tương tác của EIT-MM với ánh sáng ngoài cũng được làm rõ thông qua mô phỏng phân bố điện trường trên cấu trúc vật liệu trên Hình 3.7. Tại tần số cộng hưởng 636 nm, điện trường chủ yếu được phân bố theo trục của thanh kim loại dọc. Trong khi đó, điện trường gần như không được kích thích trên các thanh kim loại ngang. Các thanh này không tương tác do định hướng vuông góc với điện trường ngoài.
Hình 3.8. (a) Phổ truyền qua của cấu trúc EIT-MM và (b) độ phẩm chất của đỉnh truyền qua khi d2 thay đổi.
Để tạo ra hiệu ứng EIT trên vật liệu biến hóa, tính đối xứng của cấu trúc vật liệu được phá vỡ bằng cách dịch chuyển thanh dọc theo phương của từ trường một khoảng d2 ≠ 0. Hình 3.8(a) cho thấy, khi cấu trúc vật liệu biến hóa trở nên bất đối xứng, một cộng hưởng khác được kích thích tại vị trí gần với cộng hưởng ban đầu. Sự giao thoa giữa cộng hưởng ban đầu và cộng hưởng được kích thích do sự bất đối xứng của cấu trúc làm xuất hiện một vùng truyền qua thay thế cho vùng không truyền qua trong trường hợp d2 = 0. Do sự tương tác giao thoa, hai đáy cộng hưởng trong phổ truyền qua của cấu trúc bất đối xứng (d2 ≠ 0) xuất hiện ở hai phía của đáy cộng hưởng ban đầu (d2 = 0). Khi tính bất đối xứng càng cao, (d2 càng lớn), tương tác trong hiệu ứng EIT càng mạnh. Do đó, khoảng cách giữa hai đáy cộng hưởng trong cấu trúc bất đối xứng càng lớn. Đỉnh truyền qua cũng cao hơn và vùng truyền qua trở nên rộng hơn khi d2 tăng từ 10 đến 50 nm. Khi giá trị d2 lớn hơn 30 nm, ta có thể quan sát thấy hiệu ứng EIT rõ nét với độ truyền qua tại đỉnh lớn hơn 80%.
Để đánh giá chi tiết hơn đỉnh truyền qua của cấu trúc EIT-MM khi thay đổi d2, độ phẩm chất của đỉnh được tính theo công thức sau:
0 f Q f (3.1)
ở đó, f0 là tần số cộng hưởng, ∆f được tính bằng khoảng cách giữa các bước sóng mà tại đó giá trị độ truyền qua bằng một nửa của giá trị độ truyền qua tại đỉnh. Từ phương trình (1), các giá trị độ phẩm chất ứng với các độ dịch chuyển d2 khác nhau được tính toán và biểu diễn trên Hình 3.8(b). Độ phẩm chất Q tăng giảm dần từ 155 xuống 47 khi giá trị d2 tăng dần từ 10 nm đến 50 nm. Do xu hướng biến thiên theo
d2 của độ truyền qua và độ phẩm chất của đỉnh truyền qua là ngược nhau, giá trị tối ưu d2 = 30 nm được chọn để đảm bảo sự cân bằng giữa 2 đại lượng vật lý đặc trưng cho hiệu ứng EIT này.
Hình 3.9. Phân bố điện trường lần lượt tại các tần số (a) 471 THz, (b) 481 THz và (c) 495 THz.
Để hiểu rõ hơn cơ chế tương tác điện từ của cấu trúc, sự phân bố điện trường tại hai đáy và đỉnh truyền qua của cấu trúc với d2 = 30 nm tương ứng được khảo sát tại các bước sóng 627 nm [Hình 3.9(a)], 632 nm [Hình 3.9(b)] và 640 nm [Hình 3.9(c)]. Có thể thấy, tại bước sóng 627 nm tương ứng với cộng hưởng sinh ra ở bước sóng ngắn, điện trường đã được phân bố trên cả thanh dọc và thanh ngang của cấu trúc. Trong đó, cường độ điện trường của phần bên trái cấu trúc giới hạn bởi thanh Si dọc chiếm ưu thế. Sự kích thích của điện trường trên thanh ngang chính là hệ quả của tương tác trường gần giữa thanh Si dọc và các thanh Si ngang. Do sự bất đối xứng của cấu trúc, các thanh Si ngang có thể tương tác được với điện trường ban đầu trên thanh Si dọc, dẫn đến điện trường được kích thích và định hướng theo trục của các thanh Si ngang. Tương tự, ở bước sóng 640 nm, tương ứng với cộng hưởng sinh ra ở bước sóng dài, điện trường trên thanh ngang cũng được kích thích. Mặc dù vậy, phân bố điện trường ở bước sóng này ngược lại. Điện trường chủ yếu tập trung ở phần bên phải cấu trúc giới hạn bởi thanh Si dọc. Chú ý rằng, điện trường kích thích trên các thanh Si ngang phân bố ngược chiều nhau ở hai bước sóng 627 nm và 640 nm. Thêm vào đó, ở cùng một bước sóng (627 nm hoặc 640 nm), điện trường trên hai thanh Si ngang cũng phân bố ngược chiều nhau. Có thể thấy rằng, các trạng thái phân bố điện tích trái ngược nhau trên các thanh Si ngang ở cùng một bước sóng và trên toàn bộ cấu trúc ở hai bước sóng là hệ quả của quá trình giao thoa giữa thanh Si dọc và các thanh Si ngang. Các mode cộng hưởng mới sinh ra từ sự giao thoa này có tính chất nghịch đảo đối với nhau. Tiếp đó, khi quan sát tại bước sóng 632 nm, tương ứng với đỉnh truyền qua của hiệu ứng EIT, ta thấy EIT-MM hầu như không tương tác với ánh sáng chiếu tới. Hiện tượng này có thể được giải thích do sự giao thao triệt tiêu giữa các cộng hưởng trên thanh Si dọc và các thanh Si ngang, khiến cho điện trường bị dập tắt trên cấu trúc. Nhờ đó, một dải truyền qua đối với ánh sáng tới được tạo ra trong vùng bước sóng lân cận 632 nm.
Hình 3.10. (a)Sự phụ thuộc của phổ truyền qua và (b) hệ số phẩm chất Q-factor của cấu trúc vào khoảng cách giữa 2 thanh d1.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi cũng khảo sát thay đổi tham số cấu trúc của vật liệu nhằm tối ưu hóa độ phẩm chất. Hình 3.10(a) trình bày sự thay đổi của phổ truyền qua khi thay đổi khoảng cách giữa các thanh Si ngang d1. Kết quả cho thấy, khi d1 tăng, ta quan sát thấy sự dịch chuyển đỏ về phía bước sóng dài của phổ truyền qua. Bên cạnh đó, độ truyền qua tại đỉnh của hiệu ứng EIT cũng có xu hướng giảm nhẹ. Độ phẩm chất của đỉnh truyền qua ứng với các giá trị d1 khác nhau cũng
được tính toán và biểu diễn trên Hình 3.10(b). Khi khoảng cách giữa hai thanh Si ngang tăng từ 40 nm đến 60 nm, độ phẩm chất tăng dần từ 56 đến giá trị cực đại là 92. Khi d1 tiếp tục tăng từ 60 nm đến 70 nm, độ phẩm chất giảm dần từ 92 về 77. Dựa trên kết quả này, EIT-MM với giá trị d1 = 60 nm là cấu trúc tối ưu để thu được độ phẩm chất lớn nhất.