Realizacija novih metamaterijala na bazi kvantnih kaskadnih lasera u vrlo jakom magnetnom polju

Abstract

Metamaterijali su veštački elektromagnetni materijali, dizajnirani tako da obezbeđuju realizaciju unapred zadatih karakteristika koje se ne mogu naći kod materijala u prirodi. Zbog mogućnosti inženjeringa efektivnih parametara medijuma (dielektrične permitivnosti i magnetske permeabilnosti), kao i slobode u dizajniranju ,,neprirodnih’’ karakteristika ovih struktura obezbeđujući tako interakciju elektromagnetskih talasa sa sistemom na željeni način, metamaterijali privlače značajnu pažnju šire naučne zajednice. Predmet ove disertacije je dizajniranje jednostruko negativnih poluprovodničkih struktura koje pri odgovarajućim uslovima pokazuju osobinu negativnog indeksa prelamanja na određenim frekvencijama upadnog zračenja. Osnovni doprinos rada se ogleda u izboru adekvatne poluprovodničke strukture za modelovanje metamaterijala. U pitanju je anizotropna struktura sastavljena od naizmenično postavljenih slojeva dva različita poluprovodnika koja čini kvantnikaskadni laser (QCL), dizajnirana tako da može dostići optičko pojačanje u srednjem infracrvenom i terahercnom delu spektra. Teorijski je razmatrana propagacija elektromagnetnog zračenja u ovakvoj strukturi i izložena su detaljna izvođenja njenog indeksa prelamanja. Posebna pažnja je posvećena razmatranju uticaja jakog spoljašnjeg magnetnog polja usmerenog u pravcu rasta strukture na osobine metamaterijala. Strukturni profil QCL-a smešten u takvo polje dozvoljava postizanje dovoljno velike inverzne populacije neophodne za manipulaciju permitivnosti i ostvarivanje levorukog (engl. ,,left-handed’’) režima...

Metamaterials are artificial electromagnetic materials, designed to have characteristics otherwise not found in nature. Due to possibility of engineering effective parameters of the medium (dielectric permittivity and magnetic permeability), as well as designing “unnatural“ characteristics of these structures, therefore controlling the interaction of electromagnetic waves with the medium, metamaterials are getting significant attention in the scientific community. The subject of this disertation is design of single negative semiconductor structures which, under certain circumstances, exhibit negative refraction at specific frequencies. The main contribution of this thesis lies in choosing of an appropriate semiconductor structure for the metamaterial design. It is an anisotropic nanostructure with the structural arrangement as in a quantum cascade laser (QCL), designed to achieve optical gain in the mid-infrared and terahertz part of the spectrum. The propagation of the electromagnetic waves through this type of structure is theoretically analyzed, as well as the refractive index, with detailed derivations exposed. The entire structure is placed in a strong external magnetic field, which facilitates the attainment of sufficient population inversion, necessary to manipulate the permittivity, and enable a left-handed regime...