Przestrajalne metamateriały powstają w WAT

O projekcie opowiada dr inż. Rafał Kowerdziej z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT - laureat konkursu SONATA BIS, organizowanego przez Narodowe Centrum Nauki (NCN). Interdyscyplinarny zespół, który zostanie powołany w ramach projektu, zajmie się zasymulowaniem, scharakteryzowaniem i zoptymalizowaniem przestrajalnych właściwości efektów tzw. "szybkiego światła" (ang. fast light – FL) i "powolnego światła" (ang. slow light – SL), zachodzących w ultraszybkich metamateriałach terahercowych, bazujących na efekcie plazmonicznej przezroczystości.

PAP: Jak można w prosty sposób wyjaśnić, czym są metamateriały terahercowe?

Dr inż. Rafał Kowerdziej: Metamateriał jako termin jest obecnie powszechnie uznawany za synonim materiału futurystycznego. Proszę zwrócić uwagę, że z greckiego słowo „meta” oznacza ponad, poza. Zatem metamateriały możemy opisać jako materiały cechujące się własnościami wykraczającymi poza lub też przekraczającymi właściwości zwykłych czy też „naturalnych” materiałów, z których są zbudowane.

Z fizycznego punktu widzenia możemy powiedzieć, że metamateriały elektromagnetyczne to wytwarzane za pomocą nowoczesnych technologii (np. elektronolitografii), niewystępujące naturalnie w przyrodzie mikroskopijne struktury kompozytowe - najczęściej typu metal-dielektryk (chociaż ostatnio rosnącą popularnością cieszą się metastruktury dielektryczne - wykonane z materiałów dielektrycznych o wysokim współczynniku załamania, najczęściej jest to amorficzny krzem), które oddziałują rezonansowo z polem elektromagnetycznym.

Metastruktura zbudowana jest w oparciu o tzw. komórki elementarne, które stanowią periodycznie rozłożone elementy metaliczne, tzw. rezonatory (wykonane np. ze złota, srebra lub aluminium), osadzone na podłożach dielektrycznych (np. szkło kwarcowe). Musimy tutaj zaznaczyć, że wymiary komórek elementarnych powinny być kilkukrotnie mniejsze od długości fali propagującej się przez strukturę.

Metamateriały terahercowe będące przedmiotem badań w naszym projekcie to materiały plazmoniczne typu metal–dielektryk o częstotliwościach rezonansowych w zakresie 0.3–3 THz (teraherce). W przypadku metastruktur na zakres THz wymiary komórek elementarnych mieszczą się w przedziale od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów, zaś pojedyncza metapowierzchnia może składać się nawet z kilkunastu tysięcy komórek elementarnych. Metamateriały terahercowe zostaną wykonane z metali szlachetnych (głównie złota i srebra) na podłożach kwarcowych. Ich parametry fizyczne zostaną określone, a następnie zoptymalizowane w wyniku szeregu procesów symulacji elekromagnetycznych.

PAP: Skoro wiemy już więcej o metamateriałach terahercowych, kolejnym krokiem do zrozumienia idei projektu jest poznanie efektu plazmonicznej przezroczystości...

R.K.: Metamateriały bazujące na efekcie plazmonicznej przezroczystości zbudowane są najczęściej z komórek elementarnych zawierających co najmniej dwa elementy metaliczne. Postaram się to zjawisko wyjaśnić na najprostszym przykładzie. Załóżmy, że w jednej komórce elementarnej metamateriału są umieszczone dwa pręty metaliczne. Jeśli odpowiednio zamodelujemy wymiary geometryczne takich prętów oraz odległość między nimi, a następnie oświetlimy taką strukturę promieniowaniem terahercowym, to zaobserwujemy występowanie 2 modów rezonansowych, tzw. modu jasnego oraz modu ciemnego – jeśli pręty będą do siebie prostopadłe, lub dwóch modów jasnych – jeśli pręty będą do siebie równoległe i jednocześnie pole elektryczne fali elektromagnetycznej będzie równoległe do długich osi tych prętów. Oba te mody są niejako przypisane do metalicznych elementów tworzących metamateriał.

Czym są te mody? Jeśli pręty ułożymy w obrębie komórki elementarnej tak, że będą do siebie prostopadłe, to mod „jasny” będzie wzbudzany bezpośrednio przez pole elektryczne fali elektromagnetycznej w pręcie, który jest równoległy do wektora natężenia pola elektrycznego fali elekromagnetycznej, co skutkuje silnym wzbudzeniem plazmonów powierzchniowych na granicy metalicznego pręta tworzącego metastrukturę i podłoża dielektrycznego. W wyniku działania pola elektrycznego następuje przesunięcie ładunku w pręcie metalicznym, w wyniku czego staje się on de facto dipolem elektrycznym. Musimy zaznaczyć, że krzywa rezonansowa modu jasnego jest głęboka i wąska, co oznacza że cechuje się on wysokim współczynnikiem dobroci.

W przeciwieństwie do modu jasnego, mod ciemny – przypisany w omawianym przypadku do pręta, którego długa oś jest prostopadła do wektora natężenia pola elektrycznego - nie może być wzbudzony przez pole elektryczne fali elekromagnetycznej, wobec czego krzywa rezonansowa tego modu jest szeroka, czyli ma niski współczynnik dobroci. W związku z tym oba te mody mają skrajnie różne współczynniki dobroci. Efekt plazmonicznej przezroczystości w metamateriałach jest wynikiem interferencji (nakładania się) opisanych powyżej modów rezonansowych.

W metamateriałach bazujących na efekcie plazmonicznej przezroczystości kluczowe jest odpowiednie zaprojektowanie metastruktury, tj. staranny dobór i optymalizacja wymiarów geometrycznych, wzajemnego ułożenia elementów metalicznych w obrębie komórki elementarnej oraz odpowiednie zamodelowanie odległości pomiędzy elementami metalicznymi - tzn. tak, aby oba mody mogły się sprzęgać. Efekt plazmonicznej przezroczystości objawia się pojawieniem się wąskiego okna przezroczystości (czyli de facto piku w postaci wysokiej transmisji) w szerokim spektrum absorpcji.

PAP: Następstwem występowania efektu plazmonicznej przezroczystości są tzw. efekty „szybkiego” i „powolnego” światła. Na czym one polegają?

R.K.: Na początku należy zaznaczyć, że oba te efekty są związane z prędkością grupową fali elektromagnetycznej, która rozchodzi się w ośrodku dyspersyjnym, czyli takim, którego współczynnik załamania (n) zależy od częstości fali (ɷ). Oczywiście w naszym przypadku tym ośrodkiem jest metamateriał.

W materiale o współczynniku załamania światła zależnym od częstotliwości każda częstotliwość rozchodzi się z inną prędkością fazową, modyfikując w ten sposób charakter interferencji. Jeżeli n(ω) zmienia się liniowo wraz z częstością fali ω, efektem zmodyfikowanej interferencji jest przesunięcie szczytu impulsu w czasie, ale przy niezmienionym kształcie impulsu.

Fakt, że impuls jest przesunięty w czasie, oznacza, że porusza się on z prędkością różną od prędkości fazowej. Tę „nową” prędkość określamy jako prędkość grupową. Porównując zależności opisujące prędkość fazową i grupową, możemy zauważyć, że zależność opisująca prędkość grupową dodatkowo zawiera współczynnik opisujący dyspersję dn/dω współczynnika załamania.

Aby uzyskać efekt „szybkiego światła”, niezbędne jest zaprojektowanie metamateriału, dla którego dn/dω jest możliwie największe i ujemne. W przypadku metamateriałów bazujących na efekcie plazmonicznej przezroczystości osiąga się to poprzez wykorzystanie silnej zmiany współczynnika załamania światła, która występuje w pobliżu rezonansu metamateriału.

To, co być może najbardziej znaczące w ostatnich badaniach nad szybkim światłem, to nie istnienie efektu, ale raczej uświadomienie sobie, że pewne kształty impulsów mogą rozprzestrzeniać się w wysoce dyspersyjnym ośrodku z pomijalnymi zniekształceniami impulsów. Aby zapobiec zniekształceniu impulsu, należy zminimalizować dyspersję wyższego rzędu — wynikającą z nieliniowej zależności współczynnika załamania od częstotliwości fali.

Innymi słowy, sprowadza się to (tj. efekt szybkiego światła) do warunku, że prędkość grupowa fali elektromagnetycznej musi być ujemna. Z kolei tzw. zjawisko/efekt powolnego światła możemy określić jako propagację impulsów świetlnych lub innych modów modulacji światła przy stosunkowo małej prędkości grupowej. Aby to uzyskać, musimy zamodelować metastrukturę w taki sposób, aby dyspersja współczynnika załamania (dn/dω) była możliwie największa i dodatnia.

PAP: Jaki jest cel badań prowadzonych przez Pana zespół?

R.K.: W ramach proponowanego projektu zamierzamy powołać interdyscyplinarny zespół naukowy w celu zasymulowania, scharakteryzowania oraz zoptymalizowania przestrajalnych właściwości efektów PIT, SL i FL zachodzących w hybrydowych metamateriałach terahercowych. Przestrajalne parametry metamateriałów uzyskamy dzięki wykorzystaniu do budowy przetworników nowo opracowanych materiałów ciekłokrystalicznych, dwutlenku wanadu (VO2) oraz dwusiarczku molibdenu (MoS2).

Realizacja metamateriałów hybrydowych pozwoli na przestrajanie efektów PIT, SL oraz FL elektrycznie, termicznie oraz poprzez fotowzbudzenie i uzyskanie nawet pikosekundowych czasów przełączenia. Co istotne, zaproponowana metodyka umożliwia przestrajanie ww. właściwości metamateriałów w sposób ultraszybki, niskoenergetyczny, ciągły i odwracalny (w przeciwieństwie do większości dotychczasowych metod, które pozwalają na przełączanie rezonansu jedynie między stanami włączenia i wyłączenia).

Przestrajalne metamateriały hybrydowe otwierają możliwości projektowania mikroukładów aktywnych z możliwością przełączania, modulacji oraz „spowalniania i przyspieszania fal terahercowych”. Mogę one stanowić platformę do budowy wielofunkcyjnych urządzeń fotonicznych, takich jak m.in. sensory biochemiczne, absorbery, filtry, przełączniki nieliniowe, których właściwości można aktywnie modulować, a co za tym idzie, nie da się ich uzyskać w oparciu o dotychczas stosowane technologie.

Finalnym efektem badań/projektu będą przestrajalne przetworniki metamateriałowe bazujące na efekcie plazmonicznej przezroczystości oraz technologia ich wykonania. Ponadto, uzyskamy odpowiedź na pytanie, jakie graniczne i optymalne czasy przełączania/przestrajania efektów PIT, SL I FL możemy uzyskać stosując do budowy przetworników ciekłe kryształy, VO2 oraz MoS2.

PAP: Dziękuję za rozmowę.

Projekt „Przestrajalne i ultraszybkie terahercowe metamateriały hybrydowe bazujące na efekcie plazmonicznej przezroczystości” uzyskał dofinasowanie w wysokości 1 676 890 zł. W ramach grantu zespół naukowy dr. Rafała Kowerdzieja będzie współpracował z zespołem prof. Roberto Caputo z University of Calabria.

PAP - Nauka w Polsce, Magdalena Barcz

bar/ zan/