Τρεις δεκαετίες μετά τη μελέτη από τον V. Veselago της κυματικής διάδοσης σε υλικά με αρνητική τόσο ηλεκτρική διαπερατότητα όσο και μαγνητική επιδεκτικότητα, ο Sir John Pendry πρότεινε σύνθετες δομές ικανές να υλοποιήσουν τις προβλέψεις του Veselago. Τα μεταϋλικά αυτά, τα οποία πρωτομελετήθηκαν θεωρητικά και υλοποιήθηκαν πειραματικά στην περιοχή των μικροκυμάτων, σύντομα έγιναν πεδίο εκτεταμένης έρευνας. Με συναρπαστικές προοπτικές μελλοντικών εφαρμογών, όπως τέλειοι φακοί με διακριτική ικανότητα μικρότερη του μήκους κύματος, ή εξαιρετικά μικρές ηλεκτρομαγνητικές διατάξεις, μια από τις βασικές κατευθύνσεις στην έρευνα πάνω σε μεταϋλικά είναι η επίτευξη υλικών υψηλότερων συχνοτήτων με απώτερο στόχο την υλοποίηση μεταϋλικών για οπτικές συχνότητες.
Στη διατριβή αυτή, μετά την παρουσίαση του βασικού θεωρητικού υποβάθρου για τα αριστερόστροφα μεταϋλικά, συζητώνται βασικοί δομικοί τους λίθοι, όπως οι διακοπτόμενοι δακτύλιοι (split-ring resonators – SRRs), συνεχή σύρματα, ζεύγη μεταλλικών πλακών, καθώς και η γενική τους απόκριση. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται σύνθετα μεταυλικά αποτελούμενα από δακτυλίους και συνεχή σύρματα , με λειτουργία στην περιοχή των μικροκυμάτων. Συγχρόνως, συζητώνται λεπτομερώς τόσο ο όρος αριστερόστροφη συμπεριφορά όσο και τα κριτήρια που προσδιορίζουν τη συμπεριφορά αυτή, χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα παραδείγματα από την περιοχή των μικροκυμάτων. Επίσης, παρουσιάζονται μελέτες που αφορούν σύγκριση συστημάτων δακτυλίων&συρμάτων με τα σύρματα στο επίπεδο των δακτυλίων και εκτός του επιπέδου αυτού, καθώς και το φαινόμενο της ηλεκτρικής διέγερσης του μαγνητικού συντονισμού. Τέλος, μελετάται η επίδραση των δακτυλίων στην ηλεκτρική απόκριση της σύνθετης δομής δακτυλίων&συρμάτων, η οποία αποδείχθηκε καθοριστική για τη συμπεριφορά των αριστερόστροφων υλικών και το σχεδιασμό τέτοιων υλικών.
Στη συνέχεια, παρουσιάζονται αριθμητικές μελέτες αριστερόστροφων υλικών βασισμένων στη δομή δακτυλίων. Μελετάται εκτεταμένα η επίδραση της γεωμετρίας του δακτυλίου στη μαγνητική του απόκριση, καθώς και η εξάρτηση της αριστερόστροφης συμπεριφοράς των δομών από γεωμετρικές και άλλες παραμέτρους των συνιστώντων υλικών.
Μετά την παρουσίαση των μικροκυματικών ματαϋλικών, παρουσιάζονται και μελετώνται διάφορες δομές μεταϋλικών με λειτουργία στην περιοχή του μακρινού υπέρυθρου (μερικά THz). Αρχικά εισάγεται η δομή δακτυλίων με μία και περισσότερες εγκοπές˙ συζητάται λεπτομερώς η διαδικασία κατασκευής των δομών αυτών καθώς και οι μετρήσεις διαπερατότητας και ανάκλασης με χρήση φασματόμετρου Fourier υπερύθρου. Κατόπιν παρουσιάζεται η δομή ζεύγους πλακών και συρμάτων, καθώς και ο χαρακτηρισμός τους με φασματοσκοπία υπερύθρου, ο οποίος επίσης συζητάται λεπτομερώς.
Τέλος, παρουσιάζονται οι μελέτες μας για δυνατότητα επίτευξης δομών δακτυλίων με συμπεριφορά διακόπτη˙ οι δομές αυτές κατασκευάζονται ενσωματώνοντας κατάλληλα σε δομή δακτυλίων φωτοαγώγιμα υλικά. Μελετήθηκαν διάφορες διατάξεις φωτοαγώγιμων υλικών και η επίδραση της αγωγιμότητάς τους στη συμπεριφορά διακόπτη του δακτυλίου. Συγκεκριμένα, η προσπάθεια εστιάστηκε σε τρεις διαφορετικές γεωμετρικές διατάξεις, οι οποίες απαιτούν διαφορετικές συνθήκες κατασκευής και χαρακτηρισμού, και οι οποίες περιγράφονται και μελετώνται θεωρητικά.
(EL)
Three decades after V. Veselago predicted wave propagation for simultaneously negative permittivity (ε) and permeability (μ), Sir J.B. Pendry proposed structured materials to realize Veselago’s prediction. These metamaterials theoretically studied and experimentally demonstrated first at microwave frequencies, soon became a topic of extensive research. With exciting visions of prospective applications such as a perfect lens with subwavelength resolution, or miniature electromagnetic devices, one of the propelling forces in metamaterial research has been pushing the operating frequencies higher with the ultimate goal of realizing metamaterials for photonics.
In this thesis, after presenting a theoretical background of left-handed metamaterials, artificial building blocks such as the split-ring resonators (SRRs), continuous wires, and slab-pairs and their general response is discussed. Next, composite metamaterials consisting of SRRs and continuous wires operating at microwave frequencies are presented. At the same time, the term left-handed behaviour and the criteria that determine this behaviour are discussed in detail with specific examples of composite metamaterials operating at microwave frequencies. Studies regarding a comparison of in-plane and off-plane SRR-wire placement, and electrical excitation of magnetic resonance (EEMR) effect are included. Finally, the effect of SRRs on electric (not magnetic) resonance of the composite structure is investigated and it was found that this effect has significant consequences regarding the design for LH behaviour.
Furthermore, numerical studies of left-handed materials based on the split ring resonator (SRR) element are presented. The effect of the geometry of the SRR on its negative permeability response is investigated extensively. In addition, a detailed study of the dependence of the LH transmission on various other geometrical and material parameters of the system is examined.
Next, the composite metamaterials operating in the far infrared frequency region are investigated. Different designs operating at THz frequencies are presented. First, the SRR and multi-gap SRR designs are introduced. The microfabrication process for the fabrication of those designs and the transmission and reflection measurements performed by using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) are discussed in detail. Then, the slab pair- continuous wire design is presented and the FTIR measurements of these samples are presented and discussed.
Finally, we present our studies on switchable SRR structures created by incorporating proper photoconductive material in ordinary SRRs. We study various configurations of the photoconductive material and their effects on the switching properties of the SRRs by simulating the effect of conductivity variation. Three different configurations that are applicable under certain fabrication and/or optical excitation conditions are described and investigated.
(EN)
