스플릿링 공진기

분할 링 공명기(SRR)는 메타물질에 공통적으로 인공적으로 생성된 구조물이다. 그들의 목적은 200 테라헤르츠까지의 다양한 형태의 메타물질에서 원하는 자기수용성(자기반응)을 생산하는 것이다. 이러한 매체는 기존의 재료로는 달리 사용할 수 없는 전자기장에 필요한 강한 자기 결합을 생성한다. 예를 들어, 주기적인 배열의 분할 링 공명기에서 음의 투과성과 같은 효과가 발생한다.^[4]

단일 셀 SRR에는 반대쪽 끝에 분할이 있는 폐쇄 루프 쌍이 있다. 이 고리들은 구리처럼 비자기 금속으로 만들어져 있고 그 사이에 작은 틈이 있다. 루프는 동심 또는 정사각형일 수 있으며 필요에 따라 도킹할 수 있다. 금속 링을 관통하는 자속은 링에 회전 전류를 유도하며, 이 자속은 (SRR 공명 특성에 따라) 입사장을 강화하거나 반대하기 위해 자체 유속을 생성한다. 이 필드 패턴은 2극이다. 링 사이의 작은 간격은 공명 주파수를 낮추는 큰 캐패시턴스 값을 생성한다. 따라서 공진 파장에 비해 구조물의 치수는 작다. 이것은 낮은 복사 손실과 매우 높은 품질 요인을 초래한다.^[4][5][6]

배경

스플릿 링 공명기(SRR)는 유전 기질에 식각된 한 쌍의 동심 금속 링으로 구성되며, 반대쪽에 슬릿이 식각되어 있다. SRR은 진동 전자기장에 반응할 때 전기적으로 더 작은 효과를 낼 수 있다. 이러한 공명기는 SRR의 존재로 인해 음의 유효 투과성의 필요한 값이 있는 좌측 및 음의 굴절률 매체의 합성에 사용되어 왔다. 전기적으로 작은 SRR의 배열들이 시간의 변화된 자기장을 이용하여 흥분될 때, 구조는 SRR 공명 위 좁은 대역에서 음의 유효 투과성을 가진 유효 매체로서 작용한다. SRR은 또한 전송선 메타물질의 합성을 위해 평면 전송선과 결합되었다.^{[7] [8] [9] [10]}

스플릿 링 공명기는 1999년 펜드리 등이 논문에서 소개한 "도체로부터의 자기성과 강화된 비선형 현상"이라는 미세구조 설계였다. 그것은 비자성 물질로 만들어진 스플릿 링 공명기 설계가 자연 물질에서 보이지 않는 자기 활동을 향상시킬 수 있다고 제안했다. 단순한 미세구조 설계에서는 전도성 실린더의 배열에서 외부 H ${\displaystyle {0\mathrm{}}_{}}$ ${\$ 필드가$$ 실린더에 평행하게 적용되어 유효 투과성을 다음과 같이 기록할 수 있음을 보여 준다. (이 모델은 매우 제한적이며 유효 투과성은 0보다 작거나 1보다 클 수 없다.)^[8]

${\displaystyle \mu _{{\frac=1-{\pi r^{2}}:{a^{2}}:}\좌측(1+i{\frac{2\fracma }}{\omega r\mu_{0}\}\오른쪽)^{-1}$

여기서 $\sigma {\displaystyle }$ ${\displaystyle \sigma}$은 단위 면적당 실린더 표면의 저항이고$$, a는 실린더의 간격이며, $\Omega {\displaystyle }$ ${\displaystyle \omega}$은 각도 주파수, ${\displaystyle {\mu \mathrm{}}_{}}$ 0 ${\$은 자유$$ 공간의 투과성, r은 반지름이다. 더욱이 위의 이미지와 유사한 더블 실린더 설계에 갭이 도입되었을 때, 우리는 갭이 캐패시턴스를 생성한다는 것을 알게 된다. 이 콘덴서와 인덕터 마이크로 구조 설계는 자기 효과를 증폭시키는 공명을 도입한다. 효과적인 투과성의 새로운 형태는 플라스모닉 물질에서 알려진 익숙한 반응과^{[citation needed]} 유사하다.

${\displaystyle \mu _{eff}=1-{\frac {{\frac {\pi r^{2}}{a^{2}}}\ }{1+{\frac {2\sigma i}{\omega r\mu _{0}}}\ -{\frac {3dc_{0}^{2}}{\pi ^{2}\omega ^{2}r^{3}}}\ }}\ }$

여기서 d는 동심 전도 시트의^{[clarification needed]} 간격이다. 최종 설계는 이중 동심원 실린더를 단위 셀의 양쪽에 놓인 한 쌍의 평평한 동심원 c자형 시트로 대체한다. 단위 세포들은 서로 위로 길이, l만큼 쌓인다. 효과적인 투과성의 최종 결과는 아래에서 확인할 수 있다.

${\displaystyle \mu _{eff}=1-{\frac {{\frac {\pi r^{2}}{a^{2}}}\ }{1+{\frac {2l\sigma _{1}i}{\omega r\mu _{0}}}\ -{\frac {3lc_{0}^{2}}{\pi \omega ^{2}r^{3}ln({\frac {2c}{d}}\ )}}\ }}\ }$

여기서 c는 c자형 시트의 두께이며 $\sigma {\displaystyle }$ ${\displaystyle \sigma}$은 원주 둘레를 중심으로 측정된 시트의 단위 길이의 저항이다.^[8]

특성.

스플릿 링 공명기와 메타물질 자체는 복합소재다. 각 SRR에는 전자파장에 대한 개별 맞춤형 대응이 있다. 그러나 많은 SRR 세포의 주기적인 구조는 전자파가 마치 균일한 물질인 것처럼 상호작용하는 것이다. 이것은 빛이 실제로 일상 물질과 상호작용하는 방법과 비슷하다; 유리나 렌즈와 같은 물질은 원자로 만들어지고 평균 또는 거시적인 효과가 발생한다.

SRR은 원자의^{[clarification needed]} 자기 반응을 모방하도록 설계되었으며, 훨씬 더 큰 규모로만 설계되었다. 또한 주기적인 복합 구조의 일부로서 이것들은 자연에서 발견되는 것보다 더 강한 자기 결합을 갖도록 설계된다. 스케일이 크면 자기 반응을 더 잘 제어할 수 있는 반면, 각 단위는 복사 전자파보다 작다.

SRR은 자연에서 발견되는 강자성 물질보다 훨씬 더 활동적이다^{[clarification needed]}. 그러한 경량 물질에서^{[clarification needed]} 두드러진 자기 반응은 더 무겁고 자연적으로 발생하는 물질에 비해 장점을 보여준다. 각 유닛은 자체 자기 반응을 갖도록 설계할 수 있다. 응답은 원하는 대로 향상되거나 감소될 수 있다. 또한 전체적인 효과는 전력 요건을 감소시킨다.^[4][11]

SRR 구성

스플릿링 공진기와 주기적 구조는 로드 스플릿 링, 내포된 스플릿 링, 단일 스플릿 링, 변형 스플릿 링, 나선 스플릿 링, 확장 S-구조 등 다양하다. 스플릿 링 공명기의 변화는 더 작고 더 높은 주파수 구조를 포함하여 다른 결과를 얻었다. 이러한 유형의 일부와 관련된 연구는 기사에 걸쳐 논의된다.^[12]

현재까지(2009년 12월) 가시 스펙트럼에서 원하는 결과에 대한 능력이 달성되지 않았다. 그러나 2005년에 내포된 원형 분할 링 공진기는 가시 스펙트럼의 중간 범위에서 성공을 위해 30~40나노미터의 내부 반지름을 가져야 한다는 점에 주목했다.^[12] 미세조립 및 나노압축 기술은 원하는 해상도에 따라 직접 레이저 빔 쓰기 또는 전자 빔 석판화를 사용할 수 있다.^[12]

다양한 구성

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SRR(Split-Ring communator)은 메타물질을 형성하는 데 사용되는 가장 일반적인 원소 중 하나이다.^[14] 스플릿링 공진기는 비자성 물질이다. 그 중 첫 번째는 보통 회로판 재료로 만들어져서 메타물질을 만들었다.^[15]

오른쪽의 영상을 보면 처음에는 하나의 SRR이 2제곱미터의 물체처럼 보이며, 각 둘레에는 작은 단면이 제거되어 있음을 알 수 있다. 이는 섬유 유리 인쇄 회로 기판 재료에 사각형 "C" 모양이 된다.^[14][15] 이러한 유형의 구성에서 그것은 실제로 비자기 도체 물질의 두 개의 동심 대역이다.^[14] 서로 180°씩 배치된 각 대역에는 1개의 간격이 있다.^[14] 각 밴드의 간격은 완전히 원형이나 사각형이 아닌 독특한 "C" 모양을 준다.^[14][15] 그런 다음 이 이중 대역 구성의 여러 셀이 에칭 기법에 의해 회로 보드 재료에 조립되고 동선 스트립 배열이 추가된다.^[15] 처리 후 보드를 절단하여 연동 장치로 조립한다.^[15] SRR이 많은 주기적인 배열로 구성된다.^[15]

현재 SRR 명명법을 사용하는 여러 가지 다른 구성이 있다.

데모

주기적인 배열의 SRR은 부정 굴절 지수의 첫 번째 시연을 위해 사용되었다.^[15] 이 시연을 위해, 정렬된 와이어 구성이 있는 사각형 모양의 SRR은 주기적인 배열의 셀 구조로 제작되었다.^[15] 이것이 메타물질의 실체다.^[15] 그리고 나서 이 물질로부터 메타물질 프리즘을 잘라냈다.^[15] 프리즘 실험은 2000년에 처음으로 부정적인 굴절 지수를 보여주었다; 시위에 관한 논문은 2001년 1월 8일에 사이언스에 제출되었고, 2001년 2월 22일에 받아들여져 2001년 4월 6일에 발표되었다.^[15]

이 프리즘 실험 직전에 펜드리 등은 교차하는 얇은 전선의 3차원 배열을 이용하여 ε의 마이너스 값을 만들 수 있다는 것을 증명할 수 있었다. 이후 시연에서 구리 분할 링 공명기의 주기적인 배열은 효과적인 음μ를 생성할 수 있다. 2000년에 스미스 외 연구진은 두 어레이를 성공적으로 결합하여 GHz 범위의 주파수 대역에 대해 μ와 μ의 음의 값을 갖는 소위 왼손잡이 재료를 최초로 생산했다.^[15]

SRR은 마이크로파 범위의 왼손잡이 메타물질을 제작하는 데 처음 사용되었고,^[15] 몇 년 후 테라헤르츠 범위의 경우 사용되었다.^[16] 2007년까지 마이크로파 주파수에서 이 구조의 실험적인 실증 실험은 많은 그룹에 의해 달성되었다.^[17] 또한 SRR은 음향 메타물질 연구에 사용되어 왔다.^[18] 첫 번째 왼손 메타물질의 배열된 SRR과 와이어는 서로 다른 층으로 혼합되었다.^[19] 이 개념과 방법론을 광학적 공진을 갖는 (유전) 소재에 적용하여 특정 주파수 간격에 대해 음의 유효 허용률을 생성하여 "포토닉 밴드갭 주파수"^[18]를 발생시켰다. 또 다른 분석에서는 왼손잡이 재료가 비균형 성분에서 제조되는 것으로 나타났는데, 이는 거시적으로 동질성이 있는 물질로 귀결된다.^[18] SRR은 근거리 필드 파장의 전송 거리를 증가시키면서 지점 소스의 신호에 초점을 맞추는 데 사용되었었다.^[18] 나아가 고주파 자기반응이 가능한 마이너스 굴절지수를 가진 SRR이 비자기성 물질(유전회로기판)으로 구성된 인공자기소자를 만들어냈다는 분석도 나왔다.^[15][18][19]

이 시스템에서 일어나는 공명 현상은 원하는 효과를 얻기 위해 필수적이다.^[17]

SRR은 공명 자기 반응 외에 공명 전기 반응도 나타낸다.^[19] 동일한 와이어의 배열과 결합할 때 응답은 전체 복합 구조물에 걸쳐 평균을 내어 굴절 지수를 포함한 유효값을 얻는다.^[20] 특히 SRRs와 메타물질의 이면에 있는 원래의 논리는 일반적으로 구조를 만드는 것이었는데, 이것은 훨씬 더 큰 규모로만 배열된 원자 구조를 모방한다.

여러 가지 유형의 SRR

메타물질, 특히 음의 굴절률에 기반한 연구에서는 여러 종류의 분할링 공진기가 있다. 아래에 언급된 예들 중 대부분은 각각의 고리에 틈이 있다. 즉, 이중 링 구조로 각 링에 간격이 있다.^[21]

1-D 스플릿 링 구조로 두 개의 사각 링이 있으며, 하나는 다른 내부에 있다. 인용된 "단위 셀" 치수는 2.62 mm의 바깥쪽 정사각형과 0.25 mm의 내부 정사각형이 될 것이다. 이와 같은 1-D 구조물은 단단한 2-D 구조물을 구성하는 것에 비해 제작하기가 더 쉽다.^[21]

대칭 고리 구조도 고전적인 예다. 명명법에 의해 설명되는 두 개의 직사각형 사각형 D형 구성이며, 정확히 같은 크기, 평평하게 눕혀져 있고, 나란히 장치 셀에 있다. 또한 이것들은 동심원이 아니다. 인용된 치수 한 세트는 짧은 쪽이 2mm이고 긴 쪽이 3.12mm이다. 각 링의 간극은 유닛 셀에서 서로 마주보고 있다.^[21]

오메가 구조는 명명법이 설명하는 바와 같이 Ω 모양의 고리 구조를 가지고 있다.^[22] 유닛 셀에는 납작하게 누운 대신 수직으로 나란히 서 있는 두 개가 있다. 2005년에 이것들은 새로운 형태의 메타물질로 간주되었다. 인용된 치수의 한 세트는 R=1.4 mm와 r=1 mm의 환상 파라미터로, 직선 가장자리는 3.33 mm이다.^[21]

2005년의 또 다른 새로운 메타물질은 결합된 "S" 모양의 구조였다. 단위 셀에는 두 개의 수직 "S" 모양의 구조물이 나란히 있다. 링 구조에서와 같이 간격이 없지만 S의 상부와 중부는 간격이 있고 S의 중부와 하부는 간격이 있다. 게다가, 그것은 여전히 전기 플라즈마 주파수와 자기 공명 주파수를 갖는 특성을 가지고 있다.^[21][23]

다른 유형의 분할 링 공진기는 8개의 루프가 있는 나선 공진기로, 브로드사이드 커플링 분할 링 공진기(BC-SRR)가 있다. 2단 멀티 나선 공명기(TL-MSR), 4바퀴를 도는 광측 커플링 나선 공명기, 보완 스플릿 링 공명기,^[24] 개방 스플릿 링 공명기(OSRRR),^[25] 개방 보완 스플릿 링 공명기(OCSRRR)이다.^[26] 전송 라인 구성에는 SRR 기반 CRLH(우측-좌측 복합) 전송 라인과 이에 상응하는 보완이 포함된다.^[22]

스플릿 링 공명기 연구

2000년 5월 1일 전자파 영역에서 전자파의 음전파를 달성한 주기적인 분할링 공명 배열의 각 셀 내에 전도선을 대칭적으로 배치하였다. 그 개념은 적용 전자파 복사보다 작은 상호작용 원소를 만드는 데 사용되고 있다. 또한 격자 상수라고 하는 격자간 간격도 적용된 방사선보다 작다.

또한 링의 분할을 통해 SRR 유닛은 링 직경보다 훨씬 큰 파장에서 공명할 수 있다. 이 유닛은 대용량 캐패시턴스를 생성하고 공명 주파수를 낮추고 전기장을 농축하도록 설계되었다. 단위를 조합하면 주기적인 매체로서 설계가 생성된다. 더욱이, 다중 장치 구조는 강한 자기 결합과 낮은 복사 손실을 가지고 있다.^[27] 연구에서는 또한 다른 SRR 구성에 대한 자기 공진 편차를 다루었다.^[28][29][30] SRR을^[31] 사용한 테라헤르츠 방사선에 대한 연구는 프랙탈과^[22] 비 SRR 구조를 가진 기타 관련 작업 방식 메타물질 구성에 대해 계속 연구되어 왔다. 이것들은 주기적인 금속 십자가와 같은 재료로 만들어질 수도 있고, 스위스 롤이라고 알려진 점점 넓어지는 동심원 고리 구조로 만들어질 수도 있다.^{[32][33][34][35]} 780 nm의 적색 파장에 대해서만 투과성이 분석되었으며 다른 관련 작업과 함께 수행되었다.^[36][37][38]

참고 항목

참조

추가 읽기

• Ates, Damla; Cakmak, Atilla Ozgur; Colak, Evrim; Zhao, Rongkuo; Soukoulis, C. M.; Ozbay, Ekmel (2010). "Transmission enhancement through deep subwavelength apertures using connected split ring resonators" (Free PDF download). Optics Express. 18 (4): 3952–66. Bibcode:2010OExpr..18.3952A. doi:10.1364/OE.18.003952. hdl:11693/13284. PMID 20389408.
• 셰퍼드, K. W. 외 Argonne 초전도 헤비 이온 부스터용 분할 링 공명기. IEEE 원자력 과학 거래, VoL. NS-24, N0.3, JUN 1977.

외부 링크

무료 사전인 Wiktionary에서 메타물질을 찾아 보십시오.

무료 사전인 Wiktionary에서 분할 링 공명기를 찾아 보십시오.

위키미디어 커먼즈에는 메타물질과 관련된 미디어가 있다.

위키미디어 커먼즈에는 메타물질과 관련된 미디어가 있다.

• 비디오: John Pendry 강의: 보이지 않는 과학 2009년 4월, 슬로우TV
• 분할 링 공명 계산기: SRR 및 CSRR 위상의 LC 등가 회로 및 공명 주파수를 계산하는 온라인 도구.