음의 굴절률을 가지는 구조체 (negative-index metamaterials)

 - 최근에 등장한 메타물질 및 변환 광학 분야는 비가시성, 깊은 파장 이하 해상도의 광학 이미징 및 훨씬 더 빠른 정보 처리 가능성이 있는 나노포토닉스와 같은 응용 분야입니다. 나노 구조 금속-유전체 복합 재료를 사용하여 광학 음의 지수 메타물질(NIM)을 생성할 수 있는 가능성은 지난 몇 년 동안 집중적인 기초 및 응용 연구를 주도했습니다. 그러나 모든 NIM 응용 프로그램의 성능은 특히 근적외선 및 가시광선 파장 범위에서 금속 고유의 강력한 에너지 소산으로 인해 크게 제한됩니다. 일반적으로 손실은 제안된 응용성에 비해 너무 크며 최적화된 설계로 손실을 줄이는 것은 불가능해 보입니다.

 

 - 이 연구는 메타 물질의 높은 로컬 필드 영역에 이득 물질을 통합하면 매우 낮은 손실과 능동 광학 NIM을 제작할 수 있음을 실험적으로 보여줍니다. 광학 NIM은 반 직관적인 음의 굴절률이 재료에 설계된 나노 규모의 '메타 원자'에서 발생하는 인공적으로 맞춤화 된 합성물입니다. 이러한 광학 NIM 빌딩 블록에는 일반적으로 유전체 구성요소 외에 은 또는 금과 같은 플라즈몬 재료가 필요합니다. 광 주파수에서 귀금속 고유의 손실은 메타 물질의 전체 분야를 괴롭히고 메타 물질이 학술 연구 영역을 떠나 산업 응용 분야에 진입하는 것을 막는 주요 제한 중 하나입니다. 

 

 - 최근 NIM의 손실을 최소화하거나 제거하는 실행 가능하고 효과적인 방법으로 활성 물질의 통합이 제안되었습니다. 이 방법은 다양한 이득 모델에서 이론적으로 논의되어 과감한 성능 향상을 예측합니다. 그러나 이 방법에 필요한 높은 수준의 이득은 이전에 실험에서 얻을 수 없는 것으로 간주되었습니다. 낮은 이득 레벨의 손상은 공간의 최근 데모에서 보인 것처럼 두꺼운 활성 호스트 레이어를 사용하여 극복할 수 있습니다. 그러나 NIM 기반 장치에서 활성 물질의 두께는 음의 굴절률을 유지하기 위해 반드시 작게 유지되어야 합니다. 광학 NIM 설계에 이득을 통합하는 것은 이러한 어려움으로 인해 방해를 받았지만 이러한 성취는 수많은 획기적인 응용 분야에서 사용하기 위한 저 손실 또는 무손실 광학 NIM의 생산으로 이어질 것입니다.

 

 - NIM 내의 활성 매체가 벌크 매체보다 훨씬 더 높은 유효 이득을 발생시키는 접근 방식으로 이러한 한계를 극복했습니다. 이득의 큰 값은 새로운 방향(NIM의 손실 보상)을 제공하는 현상인 NIM의 플라즈몬 응답에 고유한 로컬 필드 향상으로 인한 것입니다. 이 실험에서 광학 NIM 샘플을 통한 전송은 그 안의 활성 매체를 증폭되여 구조는 활성 매체가 메타 물질의 음의 지수 특성을 유지하면서 가장 높은 로컬 필드를 나타낼 수 있도록 설계되었습니다. 수치 시뮬레이션과 함께 실험 결과는 NIM 샘플이 무손실이며 활성임을 직접 보여줍니다.

 

 - 원래의 손실 제한 음의 굴절률과 장치의 성능 지수(FOM)는 722~738nm 사이의 가시 파장 범위에서 손실 보상으로 대폭 개선되었습니다. 이 범위에서 NIM이 활성화되어 투과 및 반사의 빛 강도의 합이 입사빔의 강도를 초과합니다.

 

 

광학적으로 음의 지수 메타물질 (NIM) 을 생성할 수 있는 구조 제작방법.

 

 - 이 실험의 NIM 구조는 망사 구조로 광학 NIM의 초기 시연에서도 사용되었습니다. 로다민(Rh800) Dye(염료)로 염색된 에폭시가 이득 매질로 사용됩니다. 이득 보조 샘플을 생성하기 위한 제조 프로세스는 계략도에 표시됩니다. 이 제안된 구조에서 초기 그물망 구조의 일반적인 알루미나 스페이스는 이득 매질로 대체됩니다. 이 중요한 교체 과정에서 나노 구조가 쉽게 파괴될 수 있기 때문에 성공적인 제조는 매우 어렵습니다. 다른 제조 단계에서 망사 구조에 손상이 발생하지 않았음을 SEM을 통해 관찰하였습니다.

 

 

시뮬레이션된 굴절률  n '( 실수부 ) 및 흡수율  A ( 순방향 ) 이득이 있는 ( 실선 ) 및 없는 ( 점선 ) 파장의 함수

 

 - 구조의 설계를 더욱 개선함으로써 훨씬 더 넓은 스펙트럼 범위에서 거시적으로 큰 FOM을 갖는 NIM을 얻는 것이 가능하다고 예상합니다. 또한 FOM의 표준 정의(− n '/| n ''|, n에 대해' < 0) 일반적으로 비이방성 메타물질에 대해 예측이 가능합니다. 왜냐하면 이방성 메타물질에서 손실은 이방성 매개변수에 의존하기 때문입니다. 따라서 이방성 NIM의 손실을 정량화에 적용됩니다. 그런 의미에서 여기에서 가장 중요한 발견은 A  < 0 및 n ' < 0인 영역의 존재와 관련이 있습니다..

 

 - 737 nm의 파장에서 음의 굴절률은 -0.66에서 -1.017로 향상되고 FOM은 1에서 26으로 증가합니다. 738 nm에서 FOM은 100000배 정도의 거시적으로 커질 것으로 예상됩니다. 이 연구는 금속 구성 요소의 고유 손실에 의해 제한되지 않는 광학 음의 굴절률 메타 물질을 제조할 수 있는 가능성을 보여줍니다.

 

 

<출 처>

 

논문 제목: Loss-free and active optical negative-index metamaterials / Nature volume 466, pages735–738 (2010)

 

 - Xiao, Shumin, et al. "Loss-free and active optical negative-index metamaterials." Nature 466.7307 (2010): 735-738.

 

저 자: Shumin Xiao, Vladimir P. Drachev, Alexander V. Kildishev, Xingjie Ni, Uday K. Chettiar, Hsiao-Kuan Yuan & Vladimir M. Shalaev