طراحي و شبيه‌سازي فراماده با ضريب شكست صفر

كارشناسي ارشد

فرامواد به طور ذاتي داراي پتانسيل بالايي در كنترل ويژگي هاي نوري ماده هستند. در سال هاي اخير فرامواد با ضريب شكست نزديك به صفر توجهات زيادي را به خود جلب كرده اند. نور در داخل چنين موادي تغيير فاز ناچيزي را تجربه مي كند و داراي سرعت فاز بسيار بزرگي است. از اين ويژگي ها براي تحقق بخشيدن به پديده هاي تابش جهتمند، تونل زني موجبرها، دستيابي به ساختارهاي تك مد در مساحت زياد و پنهان سازي الكترومغناطيسي مي توان استفاده كرد. با اين حال در فركانس هاي نوري نشان داده شده است كه فرامواد ضريب شكست صفر و منفي نياز به اجزاي فلزي دارند، كه منجر به تلفات اهمي بزرگي مي شود؛ اين يك مانع جدي براي توسعه كاربردهاي اين ساختارها است. در اينجا ما يك فراماده ضريب شكست صفر با امپدانس محدود در فركانس نوري، كه بر اساس ساختارهاي تماما دي الكتريك ساخته شده است را طراحي مي كنيم. بدين ترتيب نشان خواهيم داد چگونه مي توان به پاشندگي مخروطي ديراك در كريستال هاي فوتوني دست يافت، و در بعضي موارد چگونه مي توان از اين پاشندگي هاي ديراك براي ايجاد فراماده با ضريب شكست صفر استفاده كرد. بدين منظور نشان خواهيم داد در كريستال هاي فوتوني دوبعدي مي توان با تنظيم كردن پارامترهاي سيستم به تبهگني سه گانه تصادفي در نقطه Γ دست يافت، كه پاشندگي باند آن از دو باند خطي كه سطوح پاشندگي مخروطي را ايجاد مي كنند و يك باند تخت اضافي ديگر كه يكديگر را در نقطه شبه ديراك قطع مي كنند، تشكيل شده است. اگر اين حالت تبهگني سه گانه از برانگيختگي هاي تك قطبي و دو قطبي حاصل شده باشد مي توان سيستم را همانند يك محيط موثر در نظر گرفت كه به طور همزمان داراي ضريب گذردهي الكتريكي و تراوايي مغناطيسي صفر است؛ و اين سيستم مي تواند نور را طوري منتقل كند كه گويا ضريب شكست موثر محيط برابر صفر است. بايد توجه داشت تمام حالت هاي تبهگني سه گانه با برانگيختگي هاي تك قطبي و دو قطبي توصيف نمي شوند، در اين موارد پاشندگي مخروطي ممكن است به ضريب شكست موثر صفر مربوط نشود. در ادامه نيز با استفاده از نرم افزار شبيه‌سازي 𝐶𝑂𝑀𝑆𝑂𝐿 𝑀𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝ℎ𝑦𝑠𝑖𝑐𝑠 تاييد مي كنيم يك كريستال فوتوني دي الكتريك با يك مقدار مشخص از ضريب گذردهي الكتريكي مي تواند در گستره نوري داراي ضريب شكست موثر صفر باشد. با شبيه‌سازي اين مدل رفتار موج در اين سيستم را بررسي مي كنيم. همچنين با استفاده از اين شبيه ساز يك موجبر ضريب شكست صفر را نيز در گستره نوري طراحي مي كنيم و چگونگي رفتار موج در اين موجبر را با موجبرهاي ضريب شكست صفر كه با اجزاي فلزي ساخته شده اند مقايسه مي كنيم.

207187

دانشگاه علم و صنعت ايران

علي پناه پور

فيزيك

مهدي شايگان منش