Rezonantní magnetická odezva mikrokuliček TiO₂ na terahertzových frekvencích

Metamateriály jsou umělé kompozitní struktury vytvořené z běžných materiálů tak, že vůči světlu či záření o jiných vlnových délkách vykazují nové zajímavé elektromagnetické vlastnosti. Velmi důležité je geometrické uspořádání kompozitu v mikroskopickém měřítku: většinou sestává z pravidelně uspořádaných rezonátorů, jejichž velikosti a vzájemné vzdálenosti jsou mnohem menší než vlnová délka záření, pro kterou jsou určeny. Vhodným výběrem materiálů a geometrie uspořádání lze dosáhnout velmi nestandardního elektromagnetického chování takového metamateriálu. Je možné např. pro určitou (úzkou) spektrální oblast záření vytvořit tzv. "plášť neviditelnosti" nebo prostředí se záporným indexem lomu, umožňující překonat difrakční mez při optickém zobrazování. To vyžaduje současně docílit záporné dielektrické permitivity i magnetické permeability. Zatímco zápornou permitivitu mají v široké oblasti kovy, dosáhnout záporné permeability je obtížné, neboť v běžných materiálech je permeabilita vždy kladná.

Rutilové krystaly TiO₂ nevykazují magnetické vlastnosti, přesto je lze ve vhodné geometrické konfiguraci k vytvoření magnetické odezvy využít. Navrhli jsme metamateriál sestávající se z mikrokuliček TiO₂, který má magnetickou rezonanci v okolí frekvence 1 THz. Jeho příprava je založena na samouspořádání nanočástic TiO₂ do mikrokuliček při vysoušení rozprašované suspenze. Vyvinuli jsme nový experimentální postup, jak tuto magnetickou odezvu měřit. Ukázali jsme, že tento metamateriál může vykazovat zápornou efektivní permeabilitu v terahertzové spektrální oblasti.

Vlevo: Obrázek TiO₂ mikrokuliček získaný pomocí skenovacího elektronového mikroskopu před jejich tříděním. Třídění kuliček umožňuje dosáhnout užší distribuce průměrů kuliček d. Vpravo: efektivní magnetická odezva (reálná a imaginární část efektivní permeability) vzorků s 10% objemovým podílem TiO₂ kuliček a s jejich velikostmi d = 45 ± 4 µm a 39 ± 3 µm. Symboly: experiment, plné čáry: výsledky elektromagnetických simulací.

¹Institute of Physics ASCR, Na Slovance 2, 182 21 Praha 8, Czech Republic
²Laboratoire Ondes et Matière d‘Aquitaine, Université Bordeaux 1, UMR CNRS 5798, 351 Cours de la Libération, 33405 Talence, France
³Institut de Chimie de la Matière Condensée de Bordeaux, CNRS—UPR9048, 87 Avenue du Docteur Albert Schweitzer, 33608 Pessac, France
⁴Centre de Recherche Paul Pascal—CNRS, Université Bordeaux, 115 Avenue du Dr A. Schweitzer, 33608 Pessac., France