Millimeter wave spectroscopy on metamaterials

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden die physikalischen Eigenschaften von Metamaterialen untersucht. Die Untersuchungen erfolgen anhand von spektroskopischen Methoden im submillimeter Frequenzbereich.<br />Metamaterialien sind künstlich hergestellte Strukturen, deren elektrodynamischen Eigenschaften nur von ihren geometrischen Eigenschaften bestimmt sind und welche ungewöhnliche Werte annehmen können. Die Untersuchungen erfolgen an Split-Ring Resonatoren (SRR), deren Eigenschaften anhand eines einfachen LC-Schwingkreis Modells verstanden werden können. Die charakteristischen Größen von Metamaterialien sind viel kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung, weswegen ihre Eigenschaften als homogen betrachtet werden können. Für Einschichtsysteme gilt diese Verallgemeinerung jedoch nicht mehr vollständig. In diesem Fall widerspricht die Volumenbeschreibung den experimentellen Ergebnissen. Ein Schichtmodel wird präsentiert, welches sowohl die Transmissions-, als auch die Reflektionsexperimente erklären kann, solange auch die effektive Dicke der Schicht mitberücksichtigt wird.<br />Um die Gütefaktoren der SRR zu erhöhen, werden Proben aus supraleitendem Niob untersucht. Diese zeigen in der Tat eine signifikant bessere Leistung. Zusätzlich eröffnet die Verwendung von Supraleitern weitere Möglichkeiten für die Abstimmbarkeit der Metamaterialien. So können über externe Parameter, wie magnetische Felder oder die Temperatur, die Resonanzeigenschaften beeinflusst werden. Eine modifizierte Einheitszelle des SRR-Metamaterials wird präsentiert, in welcher die Strahlungsverluste verringert sind. Hierdurch kann der Gütefaktor weiter erhöht werden. Die Bianisotropie der SRR eröffnet weiterhin die Möglichkeit für neue Anwendungen. Über diese lassen sich zwei Lagen von gegenseitig gedrehten SRR zu chiralen Quasimolekülen koppeln. Diese weißen eine starke optische Aktivität auf, welche die Werte in natürlichen Materialien bei weitem übertrifft. Weiterhin kann die Bianisotropie auch dazu genutzt werden die Elektronen-Spin Resonanz (ESR) in einem Paramagneten über die elektrische Komponente des Lichts anzuregen. Wenn die ESR Frequenz mit der Resonanzfrequenz der Ringe zusammenfällt kann ein starkes Signal gemessen werden, welches über ein einfaches Modell von gekoppelten Oszillatoren erklärt werden kann.<br />

In the present work the physical properties of metamaterials are studied by means of phase-sensitive millimeter and submillimeter wave spectroscopy. Metamaterials are artificial materials, whose electrodynamic properties are determined only by design and they can show effects not obtainable in natural materials. A typical realization of a metamaterial is given by the split-ring resonator, whose properties can be understood using a simple LC-circuit model. The characteristic sizes of metamaterials are much smaller than the wavelength of the light, in the range where their interesting properties occur. Therefore they can be treated as a homogeneous material which can be described by the conventional optical parameters, like dielectric permittivity or magnetic permeability. However, for single layers of metamaterials, so called metafilms, the bulk description of metamaterials strongly contradicts the experimental spectra. In contrast, the description within the concept of a layered metamaterial well reproduces the transmittance and reflectance data, as long as the thickness of the metamaterial layer is also considered. In order to increase the performance of the split-ring structures, samples made of superconducting niobium are studied. It is shown, that using superconductors indeed increase the loss performance of the metamaterial significantly. Furthermore it is shown that this superconducting metamaterials can be tuned by external parameters like magnetic field or temperature. A modified unit cell is presented, in which the radiation losses of the structure are suppressed, which leads to an additional increase in the quality factor of the structure.<br />The bianisotropy is another property of split-rings that can be used for novel applications. It is shown, that the bianisotropy couples two layers of mutually twisted split-rings to form chiral quasi-molecules.<br />These molecules show an optical activity far exceeding the one obtainable in natural materials. Furthermore, the bianisotropy can also be used to excite the electron-spin resonance (ESR) in a paramagnet using the electric field component of light. When the resonance frequency of the split-rings coincides with the frequency of the ESR a large signal can be observed. A simple model of coupled oscillators can qualitatively explain the observed behaviour.<br />