Métamatériaux main gauche asymétriques, en micro-onde et en infrarouge,

en incidence normale.

Métamatériaux main gauche asymétriques, en micro-onde et en infrarouge,

en incidence normale.

B. KANTE, S. N. BUROKUR, F. GADOT, A. de LUSTRAC, A. AASSIME J. M. LOURTIOZ.

IEF, Université Paris Sud, Bât 220, 91405 ORSAY Cedex, FRANCE

Journées scientifiques du CNFRS20-21 mars 2007, CNAM, Paris

ObjectifsObjectifs

Conception, réalisation et caractérisation de métamatériaux nanométriques.

Structures avec µ et simultanément <0 dans le moyen ou lointain IR.

PlanPlan

• Historique sur les métamatériaux

• Présentation de nos échantillons: technologie, dimensions et

mesures

• Unification de deux approches dans la conception des LHMs

• Métamatériau main gauche asymétrique en micro-ondes et

infrarouge

• Conclusion et perspectives

Matériau « main gauche » ou LHM

SE

H

k

E

H

k S0

Matériau « main droite »

n imaginaireMode évanescent

n imaginaireMode évanescent

Mode propagatif, n > 0

Mode propagatif, n < 0

V.G. Veselago, Soviet Physics Uspekhi 10 (1968)

Les 4 états électromagnétiques de la matière.Les 4 états électromagnétiques de la matière.

a

2ra

(par J.B. Pendry, Imperial College)

•Un réseau métallique d’anneaux coupés (split ring resonators ou encore SRR) a une perméabilité négative dans une certaine gamme de fréquences.

•Un réseau de fils fins métalliques est un matériau avec une permittivité négative (pour

< p) où p est la fréquence plasma.

J.B. Pendry, PRL 76, pp.4773-4776 (1996) J.B. Pendry, IEEE MTT 47, pp.2075-2084 (1999)

EH

Matériau avec < 0 ou < 0Matériau avec < 0 ou < 0

Association des 2 précédentes structures métalliques

Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and PermittivityD. R. Smith et al., PRL 84, pp. 4184-4187 (2000)

EH

k

Matériau « main gauche »Matériau « main gauche »

0et 0

0

²

si

n

n

Fils et Anneaux coupés réalisés à l’IEF: Or sur silicium.Fils et Anneaux coupés réalisés à l’IEF: Or sur silicium.

200nm

Transmission et réflexion mesurées des SRRs sur substrat Silicium pour les 2 polarisations

Transmission et réflexion mesurées des SRRs sur substrat Silicium pour les 2 polarisations

E

Hk

H

Ek

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

120 140 160 180 200 220

Tra

nsm

issi

on

, Re

flect

ion

Frequency (THz)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

120 140 160 180 200 220

Tra

nsm

issi

on

, Re

flect

ion

Frequency (THz)

Résonance plasmon

(1)

Résonance plasmon

(2’)

H

Ek

Résonance plasmon

(2’)

Résonance plasmon

(1)

E

Hk

Transmission et réflexion calculées des SRRs sur substrat Silicium pour les 2 polarisations

Transmission et réflexion calculées des SRRs sur substrat Silicium pour les 2 polarisations

Spectres de transmission et de réflexion calculés des SRRs sur une plus grande bande fréquentielle

Spectres de transmission et de réflexion calculés des SRRs sur une plus grande bande fréquentielle

E // Gap

1ère Résonance plasmon

H // Gap

Résonance plasmon (1)

2ème Résonance plasmon (1’)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

120 140 160 180 200 220

Tra

nsm

issi

on

, Re

flect

ion

Frequency (THz)

E

Hk

E // Gap

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

120 140 160 180 200 220

Tran

smis

sion

, R

efle

ctio

n

Frequency (THz)

H // Gap

Résonance plasmon des

SRRs (1)2ème Résonance

plasmon des SRRs (2’)

H

Ek

Transmission et réflexion mesurées des anneaux coupés et fils

Transmission et réflexion mesurées des anneaux coupés et fils

Renforcement des intensités des champs en présence du réseau de fils

Renforcement des intensités des champs en présence du réseau de fils

Résonance magnétique (f ≈ 60THz) : E // Gap - SRRs + Fils

Résonance magnétique (f ≈ 60THz) : E // Gap - SRRs seuls

Perméabilité et permittivité calculées pour la structure entière.

Perméabilité et permittivité calculées pour la structure entière.

2 résonances où les parties réelles de et sont simultanément négatives.

Unification de deux approches dans la conception des matériaux main gauche

Unification de deux approches dans la conception des matériaux main gauche

• Approche de W. Shalaev: Matériau bicouche en IR symétrique.

• Approche reprise par J. Zhou et E. Ozbay en micro-ondes.

• Notre approche: structure monocouche asymétrique.

• Résonateurs + lignes continues en incidence normale.

Métamatériau asymétrique en micro-onde et en infrarougeMétamatériau asymétrique en micro-onde et en infrarouge

• Évolution des deux approches précédentes vers une structure monocouche asymétrique.

En micro-ondes

En infrarouge

Démonstration du caractère main gauche:

Homogénéïsation et extraction de paramètres effectifs à partir des coefficients de transmission et de réflexion complexes (approche de D.R Smith et al.)

Evolution de la phase avec le nombre de couches de matériaux dans la direction de propagation. (approche d’ Ozbay et al.)

Métamatériau asymétrique en micro-onde et en infrarougeMétamatériau asymétrique en micro-onde et en infrarouge

Métamatériau asymétrique en micro-onde. Comparaison mesure - simulation.

Métamatériau asymétrique en micro-onde. Comparaison mesure - simulation.

-20

-15

-10

-5

0

5 10 15 20

mag(s11)mag(s12)

s11s12

gai

n

f(GHz)

Comparaison mesure-simulation. Evolution de la phase.

-100

-50

0

50

100

8 109 9 109 1 1010 1.1 1010 1.2 1010 1.3 1010 1.4 1010 1.5 1010

1 layer

2 layers

3 layersp

ha

se

f

LHM

Conclusions et perspectivesConclusions et perspectives

Conclusions:

•Matériau « main gauche » asymétrique associant un réseau de

fils et d’anneaux coupés en or sur silicium.

•Résonances à 60 et 150THz.

•Métamatériau main gauche asymétrique en incidence normale

fonctionnant en micro-onde.

Perspectives:

• Métamatériau main gauche asymétrique sans anneau coupés

en IR et dans le domaine visible (en cours).