WO2024014772A1 - 광-마그논 상호작용을 이용한 음굴절 구현 방법 및 그 제어 방법 - Google Patents

광-마그논 상호작용을 이용한 음굴절 구현 방법 및 그 제어 방법 Download PDF

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WO2024014772A1
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김보성
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김보종
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

Definitions

  • the present invention relates to a method of implementing negative refraction using photon-magnon coupling and a method of controlling the same. More specifically, it relates to a method of implementing negative refraction using the interaction of a photon mode and a magnon mode and a method of controlling the same.
  • Metamaterial refers to an artificially designed composite to realize physical properties that do not exist in the natural world.
  • the properties of metamaterials are determined by the shape, geometry, size, direction, and arrangement of the basic structures that make up the metamaterial. Metamaterials are most widely applied in the communication antenna and radar industries, and their scope of application is gradually expanding from high-speed communication technology, the Internet of Things, and wearable devices to sensors, lasers, and solar energy generation.
  • Negative refraction is a phenomenon in which the refractive index of a material is less than 0. It is a phenomenon that does not exist in the natural world, and is one of the characteristics that only metamaterials can have. As electromagnetic waves traveling in a medium with a negative refractive index have opposite phase and group velocity directions, unique optical phenomena that are not observed in existing media with a positive refractive index can occur. there is. By using the negative refraction phenomenon, it can be applied to transparent cloaks, super lenses, and perfect absorbers.
  • Existing metamaterials are manufactured by setting a target operating frequency and patterning an array of unit structures each having resonance modes of permittivity and permeability at that frequency.
  • the present invention is intended to solve various problems including the problems described above, and its purpose is to provide a method of implementing negative refraction using light-magnon interaction.
  • the purpose of the present invention is to provide a method of implementing negative refraction using light-magnon interaction that enables active control of the size of the refractive index and the operating frequency, and a method of controlling the same.
  • the purpose of the present invention is to provide a method for implementing negative refraction using light-magnon interaction and a method for controlling the same, which can realize negative refraction in a simpler method than the existing metamaterial manufacturing method.
  • the light-magneon hybrid system includes a first surface and a dielectric layer including a second surface opposite to the first surface; a microstrip line disposed on the first surface and extending along a longitudinal direction; a first layer disposed on the second surface and exciting a photon mode; and a second layer disposed on the microstrip line and exciting a magnon mode, wherein the photo-magnon interaction between the first layer and the second layer produces a negative negative effect.
  • a method of implementing negative refraction, in which a negative refraction index signal is generated, is provided.
  • the first layer may include an inverted split-ring resonator (ISRR).
  • ISRR inverted split-ring resonator
  • the first layer may act as a ground plane.
  • the first layer includes an inductance portion and a capacitance portion and may have a self-resonant frequency.
  • the first layer may have a photon mode with a constant resonance frequency regardless of the strength of the external magnetic field.
  • the second layer may include yttrium iron garnet (YIG).
  • YIG yttrium iron garnet
  • the second layer may have a magnon mode in which the resonance frequency increases as the strength of the external magnetic field increases.
  • the light-magneon interaction may occur when the size of the applied magnetic field is adjusted to match the resonance frequencies of the first layer and the second layer.
  • a negative refractive index signal may appear in the high frequency portion of the anti-crossover region divided into a high frequency portion and a low frequency portion.
  • a negative refractive index signal may appear in the low frequency portion of the anti-crossover region divided into a high frequency portion and a low frequency portion.
  • the stronger the light-magnon interaction the larger the mode splitting of
  • the real part (n') of the refractive index n may change to a negative value at a frequency at least higher than the resonance frequency of the first layer.
  • the real part (n') of the refractive index n may change to a negative value at a frequency at least lower than the resonance frequency of the first layer.
  • the frequency band in which the negative refractive index signal appears may be wider than 380 MHz.
  • At least one of the intensity and frequency of the applied magnetic field is adjusted to satisfy the ⁇ ' ⁇ " + ⁇ " ⁇ ' ⁇ 0, and the ⁇ ' ⁇ " + ⁇ If " ⁇ ' ⁇ 0 is satisfied, the negative refractive index may be turned on, and if ⁇ ' ⁇ " + ⁇ " ⁇ ' ⁇ 0 is not satisfied, the negative refractive index may be turned off.
  • the light-magneon hybrid system has an optical mode. It includes a first part that excites a photon mode and a second part that excites a magnon mode, and photo-magnon coupling of the first layer and the second layer. As a result, a negative refraction index signal may be generated.
  • the light-magnon hybrid system includes the first a dielectric layer including a surface and a second surface opposite to the first surface; a microstrip line disposed on the first surface and extending along a longitudinal direction; a first layer disposed on the second surface and exciting a photon mode; and a second layer disposed on the microstrip line and exciting a magnon mode, wherein the photo-magnon interaction between the first layer and the second layer produces a negative negative effect.
  • a negative refraction control method is provided that adjusts at least one of the intensity and frequency of the applied magnetic field to satisfy ⁇ ' ⁇ " + ⁇ " ⁇ ' ⁇ 0.
  • negative refraction can be implemented in a simpler method than the existing metamaterial manufacturing method.
  • Figure 1 is a schematic diagram of an inverted split-ring resonator (ISRR) sample and measurement patterned on the ground plane of a microstrip line for photon mode measurement.
  • ISRR inverted split-ring resonator
  • Figure 2 is a graph of
  • Figure 3 shows the S 21 parameter absorption spectrum of the external magnetic field versus frequency showing the optical mode and external magnetic field dependence of the inverted split ring resonator measured using a VNA.
  • Figure 4 is a graph showing the change in relative permittivity around the resonance frequency of the inverted split ring resonator.
  • Figure 5 is a schematic diagram of a yttrium iron garnet (YIG) placed on a microstrip line for magnon mode measurement and measurement.
  • YIG yttrium iron garnet
  • Figure 6 is a graph of
  • Figure 7 is a graph of external magnetic field versus frequency showing the dependence of the magnon mode and external magnetic field of YIG measured through a VNA.
  • Figure 8 is a schematic diagram of a photon-magnon coupling system and measurement according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 shows (a) S 21 parameter amplitude, (b) S 21 parameter phase, (c)-(d) real and imaginary numbers of the ISRR/YIG interaction measured through a VNA according to an embodiment of the present invention.
  • Part, (e)-(f) is a graph showing the real and imaginary parts of the effective relative permittivity, (g)-(h) the real and imaginary parts of the effective relative permeability.
  • at ⁇ 0 H 84.1mT, a graph showing the recovered refractive index, effective relative permittivity, and effective relative permeability.
  • Figure 11 shows the
  • Figure 12 shows (a) S 12 parameter amplitude, (b) S 12 parameter phase, (c)-(d) real and imaginary numbers of the ISRR/YIG interaction measured through a VNA according to an embodiment of the present invention.
  • This is a graph showing the real and imaginary parts of the effective relative permittivity (e)-(f), and (g)-(h) the real and imaginary parts of the effective relative permeability.
  • Figure 13 is a schematic diagram showing the form of an inverted split ring resonator according to various embodiments of the present invention.
  • Figure 14 is a schematic diagram showing the arrangement of a photon-magnon coupling system according to an embodiment of the present invention according to various embodiments of the present invention.
  • Figure 1 is a schematic diagram of an inverted split-ring resonator (ISRR) sample and measurement patterned on the ground plane of a microstrip line for photon mode measurement.
  • ISRR inverted split-ring resonator
  • ISRR inverted split ring resonator
  • ISRR 10
  • the spaced apart portions 11 of the pattern act as inductance portions
  • the continuous portions 15 of the pattern act as capacitance portions.
  • a dielectric layer (Dielectric layer) 30 is disposed on the ISRR (10) layer.
  • a microstrip line 40 is formed on the dielectric layer 30.
  • ISRR 10 may act as a ground plane. From another perspective, the ISRR (10) may be located within the ground plane. According to one embodiment, the ISRR 10 and the microstrip line 40 can be manufactured using photo-lithography.
  • a sample in which the ISRR 10, the dielectric layer 30, and the microstrip line 40 are stacked can be placed in the center of a pair of electromagnets 50. Both ends of the microstrip line 40 of the sample may be connected to a VNA (vector network analyzer; 60, 70) for measurement.
  • VNA vector network analyzer
  • Figure 2 is a graph of
  • Figure 3 shows the S 21 parameter absorption spectrum of the external magnetic field versus frequency showing the optical mode and external magnetic field dependence of the inverted split ring resonator measured using a VNA.
  • the resonant frequency can be changed depending on the size and shape of the ISRR (10).
  • ⁇ 0 is the vacuum permittivity
  • ⁇ is the angular frequency of the ac current flowing along the microstrip line
  • ⁇ is the dissipation factor
  • ⁇ ep is the electric plasma frequency
  • Figure 4 is a graph showing the change in relative permittivity around the resonance frequency of the inverted split ring resonator.
  • Figure 5 is a schematic diagram of a yttrium iron garnet (YIG) placed on a microstrip line for magnon mode measurement and measurement.
  • YIG yttrium iron garnet
  • yttrium iron garnet (YIG) 20 is prepared for magnon mode measurement.
  • the YIG thin film 20 may be deposited on a gadolinium gallium garnet (GGG) substrate through pulsed-laser deposition (PDL).
  • PDL pulsed-laser deposition
  • a dielectric layer 30 is disposed on the ground plane 80, and a microstrip line 40 is formed on the dielectric layer 30.
  • YIG thin film 20 may be placed on the microstrip line 40.
  • a sample including a ground plane 80, a dielectric layer 30, a microstrip line 40, and a YIG thin film 20 can be placed in the center of a pair of electromagnets 50.
  • Both ends of the microstrip line 40 of the sample may be connected to a VNA (vector network analyzer; 60, 70) for measurement.
  • VNA vector network analyzer
  • ⁇ 0 is the vacuum permeability
  • ⁇ m , ⁇ H and ⁇ r are the effective characteristic frequency and ferromagnetic resonance (FMR) frequency of a given magnetic material, respectively, and ⁇ is the intrinsic Gilbert damping constant
  • Figure 6 is a graph of
  • Figure 7 is a graph of external magnetic field versus frequency showing the dependence of the magnon mode and external magnetic field of YIG measured through a VNA.
  • magnon mode changes depending on the strength of the external magnetic field.
  • YIG(20) has a resonance frequency ( ⁇ r ) due to an external magnetic field. This is referred to as magnon mode.
  • the frequency of the magnon mode is Kittel's equation. ( ⁇ is the gyro constant, H is the strength of the external magnetic field, and ⁇ 0 M s is the saturation magnetization of YIG, which can be determined by the eigenvalue of YIG). It can be seen that the magnon mode has a strong dependence on the external magnetic field.
  • Figure 8 is a schematic diagram of a photon-magnon coupling system and measurement according to an embodiment of the present invention.
  • This is called double-negative (DNG) material.
  • SNG single-negative
  • SNG single-negative
  • the implementation of double-negative materials is still not easy.
  • the conditions of ⁇ ' ⁇ 0 and ⁇ ' ⁇ 0 are not always necessary for negative refractive index, the more generalized condition of negative refractive index media, ⁇ ' ⁇ " + ⁇ " ⁇ ' ⁇ 0, can be introduced. there is. This has the potential to be implemented even with single negative materials.
  • negative refractive index materials reported so far have specific structures once fabricated, so their operating frequency range and functionality are difficult to manipulate with external control parameters. Flexible controllability of negative refractive index materials is required, but simplified 2D structures for negative refractive index materials with broadband frequency tunability and on-off switching function still remain challenging in terms of implementation of electromagnetic devices.
  • the light-magnon interaction system 100 uses a new physical phenomenon called light-magnon interaction by hybridizing the light mode and the magnon mode. Since the light-magnon interaction system 100 shares new photonic and magnonic properties through mutual strong interaction (coupling), it is possible to control the permittivity and permeability in a simple planar structure using light-magnon interaction. There is a possibility.
  • the light-magnon hybrid system 100 may include an ISRR 10 that excites the optical mode and a YIG thin film 20 that excites the magnon mode.
  • Natural magnetic materials such as ferrite may be used instead of YIG, but YIG, which has a low attenuation constant ( ⁇ ), may be considered preferable.
  • the ISRR (10) thin film having a patterned split ring may be disposed under the dielectric layer (30) to act as a ground plane. Then, a microstrip line 40 is formed on the top of the dielectric layer 30.
  • the YIG thin film 20 may be disposed on the microstrip line 40.
  • the ISRR 10 and the YIG thin film 20 are preferably arranged to overlap each other when viewed from the top surface.
  • the core of the present invention is the light-magnon interaction between the light mode of the inversion splitting resonator 10 and the magnon mode of the YIG thin film 20, which constitutes the light-magnon hybrid system 100, and its dependence on an external static magnetic field.
  • the ISRR (10) constituting the light-magneon hybrid system (100) has a change in dielectric constant at the resonant frequency, and the resonant frequency depends only on size and shape and does not change by an external static magnetic field.
  • the YIG thin film 20 has a change in permeability at the resonant frequency, and the resonant frequency changes depending on the size of the external static magnetic field.
  • the light-magnon hybrid system 100 When the light-magnon hybrid system 100 is configured as shown in Figure 8, when the size of the static magnetic field is adjusted to match the resonance frequencies of the ISRR (10) and the YIG thin film (20), photon-magnon interaction (photon-magnon) occurs. coupling occurs. This is a phenomenon in which electromagnetic waves of ISRR (10) and YIG (20) interact with each other and exchange energy. Microwave AC current flowing along the microstrip line 40 is applied to excite and detect the dynamic mode of the YIG thin film 20, which is coupled to the electrodynamic optical mode of the ISRR 10. The input and output of the microstrip line 40 are connected to a calibrated two-port VNA (vector network analyzer; 60, 70) through a microwave connector. The DC bias magnetic field H generated by the high-precision variable electromagnet 50 can be applied to the entire light-magneon hybrid system 100 at room temperature.
  • VNA vector network analyzer
  • the complex permittivity and complex permeability of the entire light-magneon hybrid system 100 may change simultaneously.
  • the size of the refractive index changes depending on the size of the external static magnetic field.
  • negative refraction appears at the frequency where light-magneon interaction occurs and under a specific external static magnetic field. Therefore, it can be significantly differentiated from existing technologies in that it is possible to actively control the size of the refractive index and operating frequency, which could not be realized in existing metamaterials, and in terms of a simple manufacturing method that simply overlaps inversion splitting and YIG thin films.
  • the width of the microstrip line 40 can be determined by calculating the overall impedance to satisfy 50 ⁇ .
  • the longitudinal direction of the microstrip line 40 is the ) can be achieved. This is to match the frequencies of several magnon modes excited by an external static magnetic field to one frequency. The frequencies of all spin wave modes excited at the critical angle can be equal to the ferromagnetic resonance (FMR) frequency.
  • FMR ferromagnetic resonance
  • Figure 9 shows (a) S 21 parameter amplitude, (b) S 21 parameter phase, (c)-(d) real and imaginary numbers of the ISRR/YIG interaction measured through a VNA according to an embodiment of the present invention.
  • This is a graph showing the real and imaginary parts of the effective relative permittivity (e)-(f), and (g)-(h) the real and imaginary parts of the effective relative permeability.
  • ⁇ is the reflection coefficient at the interface between the ISRR-YIG hybrid and the empty microstrip line
  • P is the time-independent wave function of the microwave propagating in the ISRR-YIG hybrid
  • l s is Sample length
  • n, ⁇ eff , and ⁇ eff were calculated from the S parameters measured using (Equation 3) as shown in Figures 9 (c)-(h). It can be confirmed that the refractive index changes depending on the external magnetic field, and in particular, it can be confirmed that the region where light-magnon interaction occurs (see the dotted circle in Figure 9 (c)) has negative refraction. Negative refraction is particularly evident in the higher frequency portion of the two distinct split mode branches (high frequency vs. low frequency). In other words, negative refraction appears in the upper part of the anti-crossing region [see the part where n' is negative in the dotted circle part of Figure 9 (c)]. Additionally, as the size of the light-magnon interaction increases, the real part (n') of the refractive index n may have a larger negative value.
  • the size of the light-magnon interaction is determined by the size of the first layer that excites the light mode (or, ISRR (10)) and the second layer that excites the magnon mode (or, YIG thin film (20) )] may vary depending on the relative position of. Additionally, according to one embodiment, the magnitude of the light-magnon interaction may vary depending on the shape of the inverted split ring resonator of the first layer. Additionally, according to one embodiment, the magnitude of the light-magnon interaction may vary depending on the type, shape, size, etc. of the magnetic material of the second layer.
  • the second layer that excites the magnon mode may be a magnetic multilayer thin film including a ferromagnet, a ferrimagnet, an antiferromagnet, etc.
  • a dielectric layer 30 including a magnetic thin film or a magnetic multilayer thin film may be used as the second layer for exciting the magnon mode, or a magnetic thin film patterned on the dielectric layer 30 may be used.
  • at ⁇ 0 H 84.1mT, a graph showing the recovered refractive index, effective relative permittivity, and effective relative permeability.
  • Figure 11 shows the
  • the ISRR-YIG hybrid system 100 can be confirmed to have ⁇ eff ' ⁇ 0, ⁇ eff "> 0, ⁇ eff '> 0, and ⁇ eff "> 0 ( ⁇ 0).
  • ⁇ eff '> 0 may appear because the volume fraction of the YIG thin film (20) in the overall system (100) is small.
  • the single dip in the spectrum at ⁇ 0 H 0 splits into a double dip as the magnetic field approaches 71.9 mT.
  • ⁇ 0 H 71.9 mT, the mode splitting of
  • the imaginary parts ( ⁇ eff ", ⁇ eff ") of permittivity and permeability are loss terms and represent energy loss or attenuation of dielectric/magnetic materials.
  • ⁇ eff "> 0, ⁇ eff " ⁇ 0 but in the case of the ISRR-YIG hybrid, strong binding occurs within the anti-crossing region and ⁇ You can see that eff " ⁇ 0, ⁇ eff "> 0 and the sign of the imaginary part changes. This is because the energy of ISRR and YIG is exchanged due to light-magnon coupling, causing loss to gain and gain to loss, ⁇ eff ' ⁇ eff " + ⁇ eff " ⁇ eff ' ⁇ 0 Negative refractive index can be generated by satisfying the conditions.
  • n' changes to a negative value near a slightly higher frequency of the resonance frequency of the ISRR [see Figures 10(c) and 11. See second graph].
  • the strong coupling results in a decrease in ⁇ eff ' and an increase in ⁇ eff " with a positive sign, ⁇ eff ' ⁇
  • the condition of eff " + ⁇ eff " ⁇ eff ' ⁇ 0 can be satisfied and a negative refractive index can be generated.
  • the negative refractive index due to light-magnon interaction can be manipulated by an externally applied bias magnetic field in a relatively wide frequency band.
  • a negative refractive index controllable by a magnetic field can provide on-off switching.
  • on-off switching of the negative refractive index may be provided depending on whether the condition ⁇ eff ' ⁇ eff " + ⁇ eff " ⁇ eff ' ⁇ 0 is satisfied through control of the intensity and frequency of the external magnetic field.
  • the ISRR-YIG hybrid system 100 is implemented as a small and simple design with a planar shape of only 5 mm Additionally, the planar structure of the ISRR-YIG hybrid and the easy positioning of the microwave field can allow the excitation of higher-order spin wave modes that photons of the ISRR can couple for tuning of the resonance frequency of negative refraction. there is.
  • the above mechanisms and tunability to achieve negative refractive index are fundamentally different from existing approaches in the field of metamaterials.
  • Figure 12 shows (a) S 12 parameter amplitude, (b) S 12 parameter phase, (c)-(d) real and imaginary numbers of the ISRR/YIG interaction measured through a VNA according to an embodiment of the present invention.
  • This is a graph showing the real and imaginary parts of the effective relative permittivity (e)-(f), and (g)-(h) the real and imaginary parts of the effective relative permeability.
  • FIG. 12 shows a graph of S 12 (Port2 -> Port1) in which electromagnetic waves flow in the reverse direction of S 21 (Port1 -> Port2) [see FIG. 9].
  • the negative refractive index of S 21 was found in the upper part of the anti-crossing region, but in S 12 of Figure 12, the negative refractive index was found in the lower part of the anti-crossing region. You can see what comes out. This means that the negative refractive index flows in one direction. Accordingly, the light-magnon hybrid system 100 of the present invention has the effect of not only controlling the negative refractive index with a magnetic field, but also controlling the direction of the negative refractive index.
  • Negative refraction appears particularly in the lower frequency portion of the two distinct split mode branches (high frequency vs. low frequency). In other words, negative refraction appears in the lower part of the anti-crossing region (see the part where n' is negative in the dotted circle part of Figure 12 (c)).
  • Figure 13 is a schematic diagram showing the form of an inverted split ring resonator according to various embodiments of the present invention.
  • Figure 14 is a schematic diagram showing the arrangement of a photon-magnon coupling system according to one embodiment of the present invention according to various embodiments of the present invention.
  • the pattern form of the ISRR (10) of the present invention can be applied in various ways. Referring to FIG. 13, the pattern shape does not necessarily include corners, but may be a curved shape such as a circle or an oval shape, and a plurality of division rings may be formed. In addition, a split-ring resonator (SRR) as well as the ISRR (10) can be used as long as it represents an optical mode and is within a range that can interact with the magnon mode of the YIG thin film (20).
  • SRR split-ring resonator
  • a plurality of light-magnon interaction systems 100 may be arranged.
  • three-dimensional stacked arrays are also possible.
  • a device using light-magneon interaction is easy to manufacture and can actively control physical properties, and is therefore used in communication antennas, radar industry, measuring equipment, and electronics. It has effects that can be applied to various industries such as application equipment.

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Abstract

본 발명은 광-마그논 상호작용을 이용한 음굴절 구현 방법 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 음굴절 구현 방법은, 광-마그논 하이브리드 시스템을 이용한 광-마그논 상호작용으로 음굴절을 구현하는 방법으로서, 상기 광-마그논 하이브리드 시스템은, 제1 면 및 상기 제1 면에 반대면인 제2 면을 포함하는 유전체층; 상기 제1 면 상에 배치되고 길이 방향을 따라 연장된 마이크로 스트립 라인; 상기 제2면 상에 배치되고 광 모드(photon mode)를 여기시키는 제1 층; 상기 마이크로 스트립 라인 상에 배치되고 마그논 모드(magnon mode)를 여기시키는 제2 층; 을 포함하고, 상기 제1 층과 상기 제2 층의 광-마그논 상호작용(photo-magnon coupling)으로 음굴절률(negative refractino index) 신호가 발생하는 것을 특징으로 한다.

Description

광-마그논 상호작용을 이용한 음굴절 구현 방법 및 그 제어 방법
본 발명은 광-마그논 상호작용(photon-magnon coupling)을 이용한 음굴절(negative refraction) 구현 방법 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광 모드(photon mode) 및 마그논 모드(magnon mode)의 상호작용을 이용한 음굴절 구현 방법 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
메타물질(metamaterial)이란 자연계에 존재하지 않는 물성을 구현하기 위해 인공적으로 설계된 복합체를 뜻한다. 메타물질을 이루는 기본 구조의 모양, 기하학적 구조, 크기, 방향, 배열 등에 의해 메타물질의 특성이 결정된다. 메타물질은 통신 안테나 및 레이더(radar) 산업에 가장 많이 적용되고 있으며, 초고속 통신 기술, 사물 인터넷, 웨어러블 디바이스(wearable device)에서부터 센서, 레이저, 태양에너지 발전 등으로 그 적용 범위가 점차 확대되고 있다.
음굴절(negative refraction) 현상은 물질의 굴절률(refractive index)이 0보다 작은 것으로, 자연계에는 존재하지 않는 현상이며, 메타물질만이 가질 수 있는 특성 중 하나이다. 음의 굴절률을 갖는 매질 내를 진행하는 전자기파는 위상속도(phase velocity)와 군속도(group velocity)의 진행 방향이 반대가 되어, 기존의 양의 굴절률을 갖는 매질에서는 관찰되지 않는 독특한 광학적 현상들이 일어날 수 있다. 음굴절 현상을 이용하면 투명망토, 슈퍼렌즈, 완전흡수체 등으로의 응용이 가능하다.
기존 메타물질은 목표 동작 주파수를 정하고, 그 주파수에서 각각 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)의 공진모드를 갖는 단위 구조체의 배열을 패터닝(pattering)하는 방법으로 제작된다. 기존 메타물질의 기술적 한계는 크게 두 가지이다. 첫째, 메타물질을 만들기 위해 나노-마이크로미터 수준의 복잡한 2차원, 3차원 패터닝이 필수적이므로 제작의 어려움이 있다. 둘째, 구조체의 크기와 모양에 의해 메타물질의 동작 주파수가 결정되기 때문에 한번 만들어진 메타물질은 동작 주파수와 굴절률 크기 제어가 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 광-마그논 상호작용을 이용하여 음굴절을 구현하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 굴절률의 크기와 동작 주파수의 능동적 제어가 가능한 광-마그논 상호작용을 이용한 음굴절 구현 방법 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 기존 메타물질의 제조 방법보다 간단한 방법으로 음굴절을 구현할 수 있는 광-마그논 상호작용을 이용한 음굴절 구현 방법 및 그 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 광-마그논 하이브리드 시스템을 이용한 광-마그논 상호작용으로 음굴절을 구현하는 방법으로서, 상기 광-마그논 하이브리드 시스템은, 제1 면 및 상기 제1 면에 반대면인 제2 면을 포함하는 유전체층; 상기 제1 면 상에 배치되고 길이 방향을 따라 연장된 마이크로 스트립 라인; 상기 제2면 상에 배치되고 광 모드(photon mode)를 여기시키는 제1 층; 상기 마이크로 스트립 라인 상에 배치되고 마그논 모드(magnon mode)를 여기시키는 제2 층;을 포함하고, 상기 제1 층과 상기 제2 층의 광-마그논 상호작용(photo-magnon coupling)으로 음굴절률(negative refraction index) 신호가 발생하는, 음굴절 구현 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 층은 반전 분할고리 공진기(inverted split-ring resonator, ISRR)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 층은 접지 면(ground plane)으로 작용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 층은 인덕턴스(inductance) 부분과 캐패시턴스(capacitance) 부분을 포함하고, 자체 공진 주파수를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 층은 외부 자기장의 세기와 관계없이 공진 주파수가 일정한 광 모드(photon mode)를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 층은 YIG(yttrium iron garnet)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 층은 외부 자기장의 세기가 커질수록 공진 주파수가 커지는 마그논 모드(magnon mode)를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광-마그논 하이브리드 시스템의 유전율(permittivity)을 ε = ε' - i·ε", 투자율(magnetic permeability)을 μ = μ' - i·μ"라고 할 때, ε'·μ" + ε"·μ' < 0 을 만족할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인가하는 자기장의 크기를 조절하여 상기 제1 층과 상기 제2 층의 공진 주파수를 일치시킬 때 상기 광-마그논 상호작용이 일어날 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광-마그논 상호작용에 의해 공진 주파수 영역에 대응하는 |S21| 스펙트럼 또는 |S12| 스펙트럼에서 광 모드와 마그논 모드가 교차 방지(anti-crossing) 현상을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, |S21| 스펙트럼의 경우, 높은 주파수 부분과 낮은 주파수 부분으로 분할된 교차 방지 영역 중, 높은 주파수 부분에서 음굴절률 신호가 나타날 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, |S12| 스펙트럼의 경우, 높은 주파수 부분과 낮은 주파수 부분으로 분할된 교차 방지 영역 중, 낮은 주파수 부분에서 음굴절률 신호가 나타날 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광-마그논 상호작용이 강할수록 |S21|의 모드 분할이 크게 나타날 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, |S21| 스펙트럼의 경우, 상기 교차 방지 영역 내에서, 상기 제1 층의 공진 주파수보다 적어도 높은 주파수에서 굴절률 n의 실수부(n')가 음의 값으로 변경될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, |S12| 스펙트럼의 경우, 상기 교차 방지 영역 내에서, 상기 제1 층의 공진 주파수보다 적어도 낮은 주파수에서 굴절률 n의 실수부(n')가 음의 값으로 변경될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 음굴절률 신호가 나타나는 주파수 대역은 380MHz보다 넓을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 ε'·μ" + ε"·μ' < 0 을 만족하도록 인가하는 자기장의 세기, 주파수 중 적어도 하나를 조절하고, 상기 ε'·μ" + ε"·μ' < 0 을 만족하면 음굴절률이 온(on), 상기 ε'·μ" + ε"·μ' < 0 을 만족하지 않으면 음굴절률이 오프(off)될 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 광-마그논 하이브리드 시스템을 이용한 광-마그논 상호작용으로 음굴절을 구현하는 방법으로서, 상기 광-마그논 하이브리드 시스템은, 광 모드(photon mode)를 여기시키는 제1 부분 및 마그논 모드(magnon mode)를 여기시키는 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 층과 상기 제2 층의 광-마그논 상호작용(photo-magnon coupling)으로 음굴절률(negative refraction index) 신호가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 광-마그논 하이브리드 시스템의 유전율(permittivity)을 ε = ε' - i·ε", 투자율(magnetic permeability)을 μ = μ' - i·μ"라고 할 때, ε'·μ" + ε"·μ' < 0 을 만족하도록 인가하는 자기장의 세기, 주파수 중 적어도 어느 하나를 조절하여 상기 음굴절률 신호를 발생시킬 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 광-마그논 하이브리드 시스템을 이용한 광-마그논 상호작용으로 음굴절을 제어하는 방법으로서, 상기 광-마그논 하이브리드 시스템은, 제1 면 및 상기 제1 면에 반대면인 제2 면을 포함하는 유전체층; 상기 제1 면 상에 배치되고 길이 방향을 따라 연장된 마이크로 스트립 라인; 상기 제2면 상에 배치되고 광 모드(photon mode)를 여기시키는 제1 층; 상기 마이크로 스트립 라인 상에 배치되고 마그논 모드(magnon mode)를 여기시키는 제2 층;을 포함하고, 상기 제1 층과 상기 제2 층의 광-마그논 상호작용(photo-magnon coupling)으로 음굴절률(negative refraction index) 신호가 발생하고, 상기 광-마그논 하이브리드 시스템의 유전율(permittivity)을 ε = ε' - i·ε", 투자율(magnetic permeability)을 μ = μ' - i·μ"라고 할 때, ε'·μ" + ε"·μ' < 0 을 만족하도록 인가하는 자기장의 세기, 주파수 중 적어도 어느 하나를 조절하는, 음굴절 제어 방법이 제공된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광-마그논 상호작용을 이용하여 음굴절을 구현할 수 있는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 굴절률의 크기와 동작 주파수의 능동적 제어가 가능한 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존 메타물질의 제조 방법보다 간단한 방법으로 음굴절을 구현할 수 있는 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 광 모드(photon mode) 측정을 위해 마이크로 스트립 라인의 접지면에 패턴된 반전 분할고리 공진기(inverted split-ring resonator, ISRR) 시료와 측정에 대한 개략도이다.
도 2는 VNA를 통해 측정한 반전 분할고리 공진기의 광 모드와 외부 자기장 의존성을 나타내는 주파수 대 |S21|의 그래프이다.
도 3은 VNA를 통해 측정한 반전 분할고리 공진기의 광 모드와 외부 자기장 의존성을 나타내는 외부 자기장 대 주파수의 S21 파라미터 흡수 스펙트럼이다.
도 4는 반전 분할고리 공진기의 공명 주파수 주변에서 비유전율의 변화 양상을 나타내는 그래프이다.
도 5는 마그논 모드(magnon mode) 측정을 위해 마이크로 스트립 라인 위에 배치된 YIG(yttrium iron garnet)과 측정에 대한 개략도이다.
도 6은 VNA를 통해 측정한YIG의 마그논 모드와 외부 자기장 의존성을 나타내는 주파수 대 |S21|의 그래프이다.
도 7은 VNA를 통해 측정한 YIG의 마그논 모드와 외부 자기장 의존성을 나타내는 외부 자기장 대 주파수의 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마그논 상호작용(photon-magnon coupling) 시스템과 측정에 대한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 VNA를 통해 측정한 ISRR/YIG 상호작용의 (a) S21 파라미터 진폭, (b) S21 파라미터 위상, (c)-(d) 굴절률의 실수, 허수 부분, (e)-(f) 유효 상대 유전율의 실수, 허수 부분, (g)-(h) 유효 상대 투자율의 실수, 허수 부분을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 VNA를 통해 측정한 ISRR/YIG 상호작용의, (a) μ0H = 0, (b) μ0H = 61.4mT, (c) 결합 중심 μ0H = 71.9mT, (d) μ0H = 84.1mT 에서의 |Sij|, 회수된 굴절률, 유효 상대 유전율 및 유효 상대 투자율을 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 VNA를 통해 측정한 ISRR/YIG 상호작용의 결합 중심 μ0H = 71.9mT에서의 |Sij|, 회수된 굴절률, 유효 상대 유전율 및 유효 상대 투자율을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 VNA를 통해 측정한 ISRR/YIG 상호작용의 (a) S12 파라미터 진폭, (b) S12 파라미터 위상, (c)-(d) 굴절률의 실수, 허수 부분, (e)-(f) 유효 상대 유전율의 실수, 허수 부분, (g)-(h) 유효 상대 투자율의 실수, 허수 부분을 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 여러 실시예에 따른 반전 분할고리 공진기의 형태를 나타내는 개략도이다.
도 14는 본 발명의 여러 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마그논 상호작용(photon-magnon coupling) 시스템의 배열 형태를 나타내는 개략도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 광 모드(photon mode) 측정을 위해 마이크로 스트립 라인의 접지면에 패턴된 반전 분할고리 공진기(inverted split-ring resonator, ISRR) 시료와 측정에 대한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 광 모드 측정을 위해 반전 분할고리 공진기(ISRR; 10)를 준비한다. ISRR(10)은 박막 내에 분할고리가 패턴화된 형태를 가진다. 패턴의 이격된 부분(11)은 인덕턴스 부분으로 작용하고, 패턴이 연속된 부분(15)은 캐패시턴스 부분으로 작용한다.
ISRR(10) 층 상에는 유전체층(Dielectric layer; 30)이 배치된다. 유전체층(30) 상에는 마이크로 스트립 라인(40)이 형성된다. ISRR(10)은 접지 면(ground plane)으로 작용할 수 있다. 다른 관점으로 접지 면 안에 ISRR(10)이 위치할 수 있다. 일 실시예에 따르면, ISRR(10), 마이크로 스트립 라인(40)은 광식각(photo-lithography)을 이용하여 제조할 수 있다.
외부 정자기장 의존성을 측정하기 위해 ISRR(10), 유전체층(30), 마이크로 스트립 라인(40)이 적층된 시료를 한 쌍으로 구성된 전자석(50)의 가운데에 위치시킬 수 있다. 시료의 마이크로 스트립 라인(40)의 양단은 측정을 위하여 VNA(vector network analyzer; 60, 70)와 연결될 수 있다.
도 2는 VNA를 통해 측정한 반전 분할고리 공진기의 광 모드와 외부 자기장 의존성을 나타내는 주파수 대 |S21|의 그래프이다. 도 3은 VNA를 통해 측정한 반전 분할고리 공진기의 광 모드와 외부 자기장 의존성을 나타내는 외부 자기장 대 주파수의 S21 파라미터 흡수 스펙트럼이다.
ISRR(10)은 인덕턴스(inductance, LISRR)와 캐패시턴스(capacitance, CISRR)로 구성되며 자체의 공진 주파수[ωISRR 2 = (LISRRCISRR)-1]를 가진다. 이를 광 모드(photon mode)라고 지칭한다. 공진 주파수는 ISRR(10)의 크기, 형태에 의존하여 변경될 수 있다.
상대 유효 유전율(εeff)은 다음과 같이 주어진다.
(식 1)
Figure PCTKR2023009467-appb-img-000001
(ε0는 진공 유전율, ω는 마이크로 스트립 라인을 따라 흐르는 ac 전류의 각 주파수, ζ는 손실 계수(dissipation factor), ωep는 전기 플라즈마 주파수)
도 2 및 도 3을 참조하면, |S21|은 입력 값과 출력 값의 비를 나타내며, 외부 자기장의 세기에 관계없이, 공진 주파수는 일정한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 광 모드는 외부 자기장 의존성이 없는 것을 확인할 수 있다. 광 모드는 적용된 바이어스 자기장(μ0H)의 강도에 의존하지 않기 때문에, εeff는 μ0H에 독립적이며, ω에 의해서만 변할 수 있다.
도 4는 반전 분할고리 공진기의 공명 주파수 주변에서 비유전율의 변화 양상을 나타내는 그래프이다.
일 실시예에 따라, 상기 (식 1)에서 ωep/2ð = 6.4GHz, ωISRR/2ð = 3.35GHz, ζ/2ð = 3MHz를 사용하여 상대 유효 유전율을 계산했다. 상대 유효 유전율은 εr = εr' - iεr" (εr' 은 실수부, εr"은 허수부)로 나타낼 수 있고, 도 4의 화살표로 표시된 공진 주파수에서 음의 비유전율(negative εr')을 가지는 것을 확인할 수 있다(도 4의 점선 원 부분 참조).
도 5는 마그논 모드(magnon mode) 측정을 위해 마이크로 스트립 라인 위에 배치된 YIG(yttrium iron garnet)과 측정에 대한 개략도이다.
도 5를 참조하면, 마그논 모드 측정을 위해 YIG(yttrium iron garnet; 20)를 준비한다. 일 실시예에 따르면, YIG 박막(20)은 GGG(gadolinium gallium garnet) 기판 위에 펄스 레이저 증착법(PDL, pulsed-laser deposition)을 통해 증착할 수 있다. 도 1과 다르게, ISRR(10) 층은 없고 패턴화되지 않은 접지 면(ground plane; 80)이 사용될 수 있다. 접지 면(80) 상에 유전체층(30)이 배치되고, 유전체층(30) 상에 마이크로 스트립 라인(40)이 형성된다. YIG 박막(20)은 마이크로 스트립 라인(40) 상에 배치될 수 있다.
외부 정자기장 의존성을 측정하기 위해 접지 면(80), 유전체층(30), 마이크로 스트립 라인(40), YIG 박막(20)이 적층된 시료를 한 쌍으로 구성된 전자석(50)의 가운데에 위치시킬 수 있다. 시료의 마이크로 스트립 라인(40)의 양단은 측정을 위하여 VNA(vector network analyzer; 60, 70)와 연결될 수 있다.
단순화된 등방성 자성체에 대한 상대 유효 투자율(μeff-)은 다음과 같이 주어진다.
(식 2)
Figure PCTKR2023009467-appb-img-000002
(μ0는 진공 투자율, ωm, ωH 및 ωr은 각각 주어진 자성 재료의 유효 특성 주파수 및 강자성 공명(FMR) 주파수, α는 고유 Gilbert 감쇠 상수)
YIG 박막(20)의 경우 자이로자기비(gyromagnetic ratio) γ0/2π에서, ωm = γ0μ0Ms, ωH = γ0μ0H, μ0Ms는 포화 자화(saturation magnetizaton)로 주어진다.
도 6은 VNA를 통해 측정한 YIG의 마그논 모드와 외부 자기장 의존성을 나타내는 주파수 대 |S21|의 그래프이다. 도 7은 VNA를 통해 측정한 YIG의 마그논 모드와 외부 자기장 의존성을 나타내는 외부 자기장 대 주파수의 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 외부 자기장의 세기에 따라 공진 주파수가 변하는 것을 확인할 수 있다. 외부 자기장의 세기가 커질수록 공진 주파수가 커진다. YIG(20)는 외부 자기장에 의해 공진 주파수(ωr)을 가진다. 이를 마그논 모드(magnon mode)라고 지칭한다. 마그논 모드의 주파수는 키텔식(Kittel's equation)
Figure PCTKR2023009467-appb-img-000003
(γ은 자이로 상수, H는 외부 자기장의 세기, μ0Ms는 YIG의 포화자화로 YIG 고유값) 에 의해 결정될 수 있다. 마그논 모드는 외부 자기장 의존성이 강한 것을 확인할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 (식 2)에서 γ0/2π = 28GHz/T, μ0Ms = 0.172T, α = 3.2 Х 10-4 , μ0H = 68.5mT를 사용하여 상대 유효 투자율을 계산했다. (γ은 자이로 상수, H는 외부 자기장의 세기, μ0Ms는 YIG의 포화자화로 YIG 고유값) 에 의해 결정될 수 있다. 마그논 모드는 외부 자기장 의존성이 강한 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마그논 상호작용(photon-magnon coupling) 시스템과 측정에 대한 개략도이다.
음굴절률(negative refractive index)은 원칙적으로 공통 주파수 범위에서 유전율 ε (= ε' - i·ε") 및 투자율 μ (= μ' - i·μ")의 실수 부분에서 음의 값을 실현함으로써 달성할 수 있다. 이를 더블 네거티브(double-negative, DNG) 재료라고 한다. 음의 유전율과 양의 투자율 또는 그 반대로 양의 유전율과 음의 투자율을 가지는 싱글 네거티브(single-negative, SNG) 재료는 많이 조사된 바 있지만, 더블 네거티브 재료의 구현은 여전히 쉽지 않다. 다만, ε'< 0 및 μ'< 0의 조건이 음굴절률을 위해 항상 필요한 것은 아니므로, 음굴절률 매체의 보다 일반화된 조건인 ε'·μ" + ε"·μ' < 0를 도입할 수 있다. 이는 싱글 네거티브 재료에서도 구현 가능성이 있다.
또한, 지금까지 보고된 음굴절률 재료는 일단 제작되면 특정한 구조를 가지므로, 작동 주파수 범위와 기능은 외부의 제어 매개변수로 조작이 어렵다. 음굴절률 재료의 유연한 제어 가능성이 요구되나 광대역 주파수 조정 가능성과 온-오프 스위칭 기능의 음굴절 재료를 위한 단순화된 2D 구조는 전자기 장치의 구현 측면에서 여전히 도전 과제로 남아있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마그논 상호작용 시스템(100)은 광 모드와 마그논 모드를 하이브리드하여 광-마그논 상호작용이라는 새로운 물리현상을 이용한다. 광-마그논 상호작용 시스템(100)은 상호 강력한 상호 작용(coupling)으로 새로운 포토닉 및 마그노닉 특성을 공유하기 때문에, 광-마그논 상호작용을 이용하여 간단한 평면 구조에서 유전율 및 투자율을 제어할 가능성이 있다.
도 8을 참조하면, 광-마그논 하이브리드 시스템(100)은 광 모드를 여기시키는 ISRR(10)과 마그논 모드를 여기시키는 YIG 박막(20)을 포함할 수 있다. YIG 대신 페라이트 등의 자연 자성 재료(natural magnetic material)를 사용할 수도 있으나, 감쇠 상수(α)가 낮은 YIG가 바람직하게 고려될 수 있다.
분할고리가 패턴화된 형태를 가지는 ISRR(10) 박막이 유전체층(30)의 하부에 배치되어 접지 면으로 작용할 수 있다. 그리고, 유전체층(30)의 상부에 마이크로 스트립 라인(40)이 형성된다. 마이크로 스트립 라인(40) 상에 YIG 박막(20)이 배치될 수 있다. ISRR(10)과 YIG 박막(20)은 상부면을 기준으로 바라볼 때 서로 겹치도록 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명은 광-마그논 하이브리드 시스템(100)을 구성하는 반전분할링 공진기(10)의 광 모드와 YIG 박막(20)의 마그논 모드 간의 광-마그논 상호작용과 그것의 외부 정자기장 의존성을 핵심으로 한다. 광-마그논 하이브리드 시스템(100)을 구성하는 ISRR(10)은 공진 주파수에서 유전율의 변화를 가지며, 공진 주파수는 크기와 모양에만 의존하고 외부 정자기장에 의해 바뀌지 않는다. 한편, YIG 박막(20)은 공진 주파수에서 투자율의 변화를 가지며, 공진 주파수가 외부 정자기장의 크기에 따라 변화한다.
도 8과 같이 광-마그논 하이브리드 시스템(100)을 구성하면, 정자기장의 크기를 조절하여 ISRR(10)과 YIG 박막(20)의 공진 주파수를 일치시킬 때 광-마그논 상호작용(photon-magnon coupling)이 일어난다. ISRR(10)과 YIG(20)의 전자기파가 서로 상호작용하면서 에너지를 서로 교환하는 현상이다. 마이크로 스트립 라인(40)을 따라 흐르는 마이크로파 AC 전류는 ISRR(10)의 전기역학적 광 모드와 결합되는 YIG 박막(20)의 동적 모드를 여기하고 감지하기 위해 적용된다. 마이크로 스트립 라인(40)의 입력 및 출력은 마이크로파 커넥터를 통해 보정된 2 포트 VNA(vector network analyzer; 60, 70)에 연결된다. 고정밀 가변 전자석(50)에서 생성된 DC 바이어스 자기장 H는 실온에서 전체 광-마그논 하이브리드 시스템(100)에 인가될 수 있다.
외부 정자기장이 변함에 따라, 광-마그논 하이브리드 시스템(100) 전체의 복소 유전율과 복소 투자율이 동시에 변할 수 있다. 이로 인해 외부 정자기장의 크기에 따라 굴절률의 크기가 변하게 되는데, 특히, 광-마그논 상호작용이 일어나는 주파수, 특정 외부 정자기장 하에서는 음굴절이 나타나게 된다. 따라서, 기존 메타물질에서는 구현하지 못했던 굴절률의 크기와 동작 주파수의 능동적 제어가 가능한 점과, 반전분할링과 YIG 박막을 단순히 겹쳐놓는 간단한 제작 방법의 측면에서 기존 기술과 크게 차별될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 마이크로 스트립 라인(40)의 폭은 전체의 임피던스가 50Ω을 만족되도록 계산하여 결정할 수 있다. 또한, 마이크로 스트립 라인(40)의 길이 방향을 x축, 폭 방향을 z축, 면의 수직방향을 y축이라 할 때, 외부 정자기장의 방향은 z축과 약 33°(임계각 φc = 33°)를 이루도록 할 수 있다. 외부 정자기장에 의해 여기되는 여러 마그논 모드의 주파수를 하나의 주파수로 일치시키기 위함이다. 임계각에서 여기된 모든 스핀파 모드의 주파수는 FMR(ferromagnetic resonance) 주파수와 같아질 수 있다. 광-마그논 하이브리드 시스템(100)의 S 파라미터만 추출하기 위해 전체 샘플에서 측정된 전체 신호에서 빈 마이크로 스트립 라인의 백그라운드 신호를 뺄 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 VNA를 통해 측정한 ISRR/YIG 상호작용의 (a) S21 파라미터 진폭, (b) S21 파라미터 위상, (c)-(d) 굴절률의 실수, 허수 부분, (e)-(f) 유효 상대 유전율의 실수, 허수 부분, (g)-(h) 유효 상대 투자율의 실수, 허수 부분을 나타내는 그래프이다.
도 9 (a), (b)를 참조하면, f (=ω/2π)의 함수로 측정된 S21 파라미터의 크기(|S21|) 및 위상(φ21)이 각각 나타난다. ISRR-YIG 하이브리드 시료 내부의 공진 주파수는 S21 파라미터의 크기(|S21|)에서 흡수로 나타나는데, 색깔이 진한 부분이 공진 모드인 것을 확인할 수 있다. |S21| 스펙트럼은 ISRR의 광 모드와 YIG의 마그논 모드(FMR 모드)의 강력한 광-마그논 상호작용으로 인한 두 별개의 분할 모드 분기(높은 주파수 대 낮은 주파수로 나뉘는 branch)를 나타낸다. 공진 주파수 영역에서 두 모드가 서로를 밀어내는 것처럼 보이는 교차 방지(anti-crossing) 현상[도 9 (a)의 점선 원 부분 참조]이 일어나며, 이를 광-마그논 상호작용이라 한다.
측정된 S 파라미터 스펙트럼에서 하이브리드 시스템 중 하나의 전기장/자기장을 연결하는 전송 매트릭스에 따라 ISRR-YIG 하이브리드의 복소 유전율, 복소 투자율 및 굴절률 값을 얻을 수 있다. εeff = n/z, μeff = n·z로 주어지기 때문에, 굴절률 n과 샘플의 정규화된 유효 임피던스 z를 사용하여 최종적으로 S21 및 S11의 측정가능한 매개변수 측면에서 n을 얻을 수 있다.
(식 3)
Figure PCTKR2023009467-appb-img-000004
Figure PCTKR2023009467-appb-img-000005
(Γ는 ISRR-YIG 하이브리드와 빈 마이크로 스트립 라인 사이의 인터페이스에서 반사 계수(reflection coefficient), P는 ISRR-YIG 하이브리드에서 전파하는 마이크로파의 시간 독립 파동 함수(time-independent wave function)이며, ls는 샘플 길이, k0 = ω/c0 는 진공(빛의 속도 c0)에서 전자기파의 파수)
(식 3)을 사용하여 측정된 S 파라미터로부터 n, εeff, μeff의 실수부와 허수부를 도 9 (c)-(h)와 같이 계산하였다. 외부 자기장에 따라 굴절률이 변하는 것을 확인할 수 있으며, 특히, 광-마그논 상호작용이 일어나는 영역[도 9 (c)의 점선 원 부분 참조]에서는 음굴절을 가짐을 확인할 수 있다. 음굴절은 특히 두 별개의 분할 모드 분기(높은 주파수 대 낮은 주파수) 중 높은 주파수 부분에서 나타난다. 다시 말해, 교차 방지 영역의 윗 부분에서 음굴절이 나타난다[도 9 (c)의 점선 원 부분에서 n'가 음수인 부분 참조]. 또한, 광-마그논 상호작용의 크기가 커질수록 굴절률 n의 실수부(n')의 값이 더 큰 음의 값을 가질 수 있다.
한편, 일 실시예에 따르면, 광-마그논 상호작용의 크기는 광모드를 여기시키는 제1 층[또는, ISRR(10)]과 마그논 모드를 여기시키는 제2 층[또는, YIG 박막(20)]의 상대적인 위치에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 광-마그논 상호작용의 크기는 제1 층의 반전 분할고리 공진기의 모양에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 광-마그논 상호작용의 크기는 제2 층의 자성체의 종류, 모양, 크기 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 마그논 모드를 여기시키는 제2 층은 강자성체(ferromagnet), 페리자성체(ferrimagnet), 반강자성체(antiferromagnet) 등을 포함하는 자성 다층 박막일 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 마그논 모드를 여기시키는 제2 층으로 자성 박막 또는 자성 다층 박막을 포함한 유전체층(30)을 사용하거나, 유전체층(30) 상에 자성 박막이 패터닝 된 것을 사용할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 VNA를 통해 측정한 ISRR/YIG 상호작용의, (a) μ0H = 0, (b) μ0H = 61.4mT, (c) 결합 중심 μ0H = 71.9mT, (d) μ0H = 84.1mT 에서의 |Sij|, 회수된 굴절률, 유효 상대 유전율 및 유효 상대 투자율을 나타내는 그래프이다. 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 VNA를 통해 측정한 ISRR/YIG 상호작용의 결합 중심 μ0H = 71.9mT에서의 |Sij|, 회수된 굴절률, 유효 상대 유전율 및 유효 상대 투자율을 나타내는 그래프이다.
각 바이어스 필드 강도에서 |Sij|, εeff는 Drude 모델에 기초한 일반적인 전기 쌍극자와 유사한 공통 공진 특성이 나타난다. 그러나, μeff는 일반적인 자기 쌍극자와 반대되는 동작을 나타낸다. 또한, 도 10 (a)의 5번째 그래프를 참조하면, 공진 주파수(ω/2π = 3.71GHz)에서 반대 진동 모양의 μeff'와 μeff"의 음의 흡수(negative absorption)가 나타난 것을 확인할 수 있다. 이는, 샘플 길이 ls에 의해 발생하는 ISRR-YIG 하이브리드에서 전파하는 마이크로파의 시간 독립 파동 함수 (P)의 위상 변화 때문이다.
공진 주파수 근처에서, ISRR-YIG 하이브리드 시스템(100)은 εeff' < 0, εeff" > 0, μeff' > 0, and μeff" > 0 (≒ 0)인 것을 확인할 수 있다. 특히, μeff' > 0은 전체 시스템(100)에서 YIG 박막(20)의 부피 분률이 작기 때문에 나타날 수 있다. μ0H=0에서 S11 스펙트럼의 플랫 백그라운드가 YIG 필름의 마그논 여기로 인해 작은 싱글 딥이 되는 동안, |S21| 스펙트럼의 μ0H = 0일때의 싱글 딥은 자기장이 71.9mT에 접근함에 따라 더블 딥으로 분할된다. μ0H = 71.9mT일때 가장 강한 광-마그논 상호작용으로 인해 |S21|의 모드 분할이 가장 크게 나타난다[도 10 (c) 참조].
유전율과 투자율의 허수부(εeff", μeff")는 상실부(loss term)로서 유전체/자성물질의 에너지 손실이나 감쇠를 나타낸다. 기존 순수 ISRR[도 1 내지 도 4 참조]의 경우는εeff" > 0, μeff" < 0지만, ISRR-YIG 하이브리드의 경우는 교차 방지 영역(anti-crossing region) 내에서 강한 결합이 되면서 εeff" < 0, μeff" > 0 이 되어 허수부의 부호가 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 이는 광-마그논 결합으로 인해 ISRR과 YIG의 에너지가 서로 교환하게 되어 손실이 이득이 되고 이득이 손실이 되는 현상이 일어나기 때문이며, εeff'·μeff" + εeff"·μeff' < 0 조건을 만족시켜 음굴절률이 발생될 수 있다.
특히, 교차 방지 영역(anti-crossing region) 내에서, ISRR의 공진 주파수의 약간 더 높은 주파수 근처에서 n'가 음의 값으로 변경되는 점에 주목할 필요가 있다[도 10 (c) 및 도 11의 2번째 그래프 참조]. 도 10 (c) 및 도 11에 따르면, 강한 결합(YIG 박막의 여기된 마그논과 ISRR의 광 모드 사이)으로 인해 양의 부호로 μeff'의 감소와 μeff"의 증가가 εeff'·μeff" + εeff"·μeff' < 0 의 조건을 충족시킬 수 있고 음굴절률을 발생시킬 수 있다. 자기장이 추가로 증가함에 따라, ω/2π ≒ 3.71GHz에서의 굴절률은, 도 10 (d)와 같이 μeff'의 증가와 μeff"의 감소로 인해 μ0H = 0에 가까워진다. 도 10은 εeff 및 μef의 실수부뿐만 아니라 허수부까지 ISRR-YIG 하이브리드의 음굴절률에 주로 기여하여 싱글 네거티브(single-negative, SNG)(ε-negative) 재료로 만든다는 것을 명확히 한다. 허수부(또는 손실 항)은 광-마그논 상호작용 현상뿐 아니라 광-마그논 상호작용을 매개로 하는 음굴절률의 가장 중요한 핵심 매개변수 중 하나로 밝혀진다.
도 10 및 도 11을 다시 참조하면, 기존의 메타구조와는 달리 광-마그논 상호작용에 의한 음굴절률은 비교적 넓은 주파수 대역에서 외부에서 인가된 바이어스 자기장에 의해 조작될 수 있음을 확인할 수 있다. 음굴절률에 필요한 주파수 대역은 μ0H = 63.3 ~ 78.4mT 범위의 비교적 낮은 자기장에서 380MHz(3.41~3.89 GHz)로 넓다. 즉, 광-마그논 상호작용에 의한 음굴절률의 크기 및 동작 주파수는 외부 자기장의 세기, 주파수에 의해 조절될 수 있다.
또한, 자기장으로 제어가능한 음굴절률은 온-오프 스위칭을 제공할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 외부 자기장의 세기, 주파수의 제어를 통해 εeff'·μeff" + εeff"·μeff' < 0 조건을 만족시키는지 여부로 음굴절률의 온-오프 스위칭을 제공할 수 있다. 일 실시예에 따르면, ISRR-YIG 하이브리드 시스템(100)은 ISRR의 광자와 YIG의 마그논 모드 사이의 강력한 결합의 결과로, 5mm X 2cm의 평면 형상에 불과한 작고 간단한 설계로서 구현된다. 또한, ISRR-YIG 하이브리드의 평면 구조와 마이크로파 필드의 쉬운 위치 지정으로 인해, 음굴절의 공진 주파수의 조정을 위해 ISRR의 광자가 결합할 수 있는 고차(higher-order) 스핀파 모드의 여기를 허용할 수 있다. 음굴절률을 달성하기 위한 위 메커니즘과 조정 가능성은 기존 메타물질 분야의 접근 방식과 근본적으로 상이하다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 VNA를 통해 측정한 ISRR/YIG 상호작용의 (a) S12 파라미터 진폭, (b) S12 파라미터 위상, (c)-(d) 굴절률의 실수, 허수 부분, (e)-(f) 유효 상대 유전율의 실수, 허수 부분, (g)-(h) 유효 상대 투자율의 실수, 허수 부분을 나타내는 그래프이다.
도 12는 S21 (Port1 -> Port2)[도 9 참조]의 역방향으로 전자기파가 흐르는 S12 (Port2 -> Port1)에 대한 그래프를 나타낸다. 도 9 (a), (c)에서는 S21의 음굴절률이 나오는 곳이 교차 방지 영역 (anti-crossing region)의 윗 부분이였지만, 도 12의 S12에서는 교차 방지 영역의 아랫부분에서 음굴절률이 나오는 것을 확인할 수 있다. 이는 음굴절률이 단방향으로 흐른다는 것을 의미한다. 이에 따라, 본 발명의 광-마그논 하이브리드 시스템(100)은 자기장으로 음굴절률을 조절할 뿐 아니라, 음굴절률의 방향까지 조절할 수 있는 효과가 있다.
음굴절은 특히 두 별개의 분할 모드 분기(높은 주파수 대 낮은 주파수) 중 낮은 주파수 부분에서 나타난다. 다시 말해, 교차 방지 영역의 아래 부분에서 음굴절이 나타난다[도 12 (c)의 점선 원 부분에서 n'가 음수인 부분 참조].
도 13은 본 발명의 여러 실시예에 따른 반전 분할고리 공진기의 형태를 나타내는 개략도이다. 도 14는 본 발명의 여러 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마그논 상호작용(photon-magnon coupling) 시스템의 배열 형태를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 ISRR(10)의 패턴 형태는 다양하게 적용할 수 있다. 도 13을 참조하면, 패턴 형태는 반드시 모서리를 포함하는 형태가 아니라 원형, 타원형 등 굴곡진 형태일 수도 있고, 분할고리의 개수도 복수가 형성될 수 있다. 또한, 광 모드를 나타내며 YIG 박막(20)의 마그논 모드와 상호작용을 일으킬 수 있는 범위 내에서라면 ISRR(10) 뿐만 아니라 SRR(split-ring resonator)을 사용할 수도 있다.
또한, 도 14를 참조하면, 광-마그논 상호작용 시스템(100)은 복수가 배열될 수 있다. 1차원, 2차원 배열뿐만 아니라 3차원으로 적층 배열하는 것도 가능하다.
위와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광-마그논 상호작용을 이용한 소자는 기존 메타물질 기반 소자와 달리 제작이 용이하고 물성의 능동적 제어가 가능하므로, 통신 안테나, 레이더 산업, 계측기기 및 전자응용기기 등의 다양한 산업으로 응용될 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.

Claims (20)

  1. 광-마그논 하이브리드 시스템을 이용한 광-마그논 상호작용으로 음굴절을 구현하는 방법으로서,
    상기 광-마그논 하이브리드 시스템은,
    제1 면 및 상기 제1 면에 반대면인 제2 면을 포함하는 유전체층;
    상기 제1 면 상에 배치되고 길이 방향을 따라 연장된 마이크로 스트립 라인;
    상기 제2면 상에 배치되고 광 모드(photon mode)를 여기시키는 제1 층;
    상기 마이크로 스트립 라인 상에 배치되고 마그논 모드(magnon mode)를 여기시키는 제2 층;
    을 포함하고,
    상기 제1 층과 상기 제2 층의 광-마그논 상호작용(photo-magnon coupling)으로 음굴절률(negative refraction index) 신호가 발생하는, 음굴절 구현 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층은 반전 분할고리 공진기(inverted split-ring resonator, ISRR)를 포함하는, 음굴절 구현 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 층은 접지 면(ground plane)으로 작용하는, 음굴절 구현 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층은 인덕턴스(inductance) 부분과 캐패시턴스(capacitance) 부분을 포함하고, 자체 공진 주파수를 가지는, 음굴절 구현 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층은 외부 자기장의 세기와 관계없이 공진 주파수가 일정한 광 모드(photon mode)를 가지는, 음굴절 구현 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 층은 YIG(yttrium iron garnet)를 포함하는, 음굴절 구현 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 층은 외부 자기장의 세기가 커질수록 공진 주파수가 커지는 마그논 모드(magnon mode)를 가지는, 음굴절 구현 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광-마그논 하이브리드 시스템의 유전율(permittivity)을 ε = ε' - i·ε", 투자율(magnetic permeability)을 μ = μ' - i·μ"라고 할 때,
    ε'·μ" + ε"·μ' < 0
    을 만족하는, 음굴절 구현 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    인가하는 자기장의 크기를 조절하여 상기 제1 층과 상기 제2 층의 공진 주파수를 일치시킬 때 상기 광-마그논 상호작용이 일어나는, 음굴절 구현 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광-마그논 상호작용에 의해 공진 주파수 영역에 대응하는 |S21| 스펙트럼 또는 |S12| 스펙트럼에서 광 모드와 마그논 모드가 교차 방지(anti-crossing) 현상을 나타내는, 음굴절 구현 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    |S21| 스펙트럼의 경우, 높은 주파수 부분과 낮은 주파수 부분으로 분할된 교차 방지 영역 중, 높은 주파수 부분에서 음굴절률 신호가 나타나는, 음굴절 구현 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    |S12| 스펙트럼의 경우, 높은 주파수 부분과 낮은 주파수 부분으로 분할된 교차 방지 영역 중, 낮은 주파수 부분에서 음굴절률 신호가 나타나는, 음굴절 구현 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    광-마그논 상호작용이 강할수록 |S21|의 모드 분할이 크게 나타나는, 음굴절 구현 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    |S21| 스펙트럼의 경우, 상기 교차 방지 영역 내에서, 상기 제1 층의 공진 주파수보다 적어도 높은 주파수에서 굴절률 n의 실수부(n')가 음의 값으로 변경되는, 음굴절 구현 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    |S12| 스펙트럼의 경우, 상기 교차 방지 영역 내에서, 상기 제1 층의 공진 주파수보다 적어도 낮은 주파수에서 굴절률 n의 실수부(n')가 음의 값으로 변경되는, 음굴절 구현 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 음굴절률 신호가 나타나는 주파수 대역은 380MHz보다 넓은, 음굴절 구현 방법.
  17. 제8항에 있어서,
    상기 ε'·μ" + ε"·μ' < 0 을 만족하도록 인가하는 자기장의 세기, 주파수 중 적어도 하나를 조절하고,
    상기 ε'·μ" + ε"·μ' < 0 을 만족하면 음굴절률이 온(on), 상기 ε'·μ" + ε"·μ' < 0 을 만족하지 않으면 음굴절률이 오프(off)되는, 음굴절 구현 방법.
  18. 광-마그논 하이브리드 시스템을 이용한 광-마그논 상호작용으로 음굴절을 구현하는 방법으로서,
    상기 광-마그논 하이브리드 시스템은, 광 모드(photon mode)를 여기시키는 제1 부분 및 마그논 모드(magnon mode)를 여기시키는 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 광-마그논 상호작용(photo-magnon coupling)으로 음굴절률(negative refraction index) 신호가 발생하는, 음굴절 구현 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 광-마그논 하이브리드 시스템의 유전율(permittivity)을 ε = ε' - i·ε", 투자율(magnetic permeability)을 μ = μ' - i·μ"라고 할 때,
    ε'·μ" + ε"·μ' < 0
    을 만족하도록 인가하는 자기장의 세기, 주파수 중 적어도 어느 하나를 조절하여 상기 음굴절률 신호를 발생시키는, 음굴절 구현 방법.
  20. 광-마그논 하이브리드 시스템을 이용한 광-마그논 상호작용으로 음굴절을 제어하는 방법으로서,
    상기 광-마그논 하이브리드 시스템은,
    제1 면 및 상기 제1 면에 반대면인 제2 면을 포함하는 유전체층;
    상기 제1 면 상에 배치되고 길이 방향을 따라 연장된 마이크로 스트립 라인;
    상기 제2면 상에 배치되고 광 모드(photon mode)를 여기시키는 제1 층;
    상기 마이크로 스트립 라인 상에 배치되고 마그논 모드(magnon mode)를 여기시키는 제2 층;
    을 포함하고,
    상기 제1 층과 상기 제2 층의 광-마그논 상호작용(photo-magnon coupling)으로 음굴절률(negative refraction index) 신호가 발생하고,
    상기 광-마그논 하이브리드 시스템의 유전율(permittivity)을 ε = ε' - i·ε", 투자율(magnetic permeability)을 μ = μ' - i·μ"라고 할 때,
    ε'·μ" + ε"·μ' < 0
    을 만족하도록 인가하는 자기장의 세기, 주파수 중 적어도 어느 하나를 조절하는, 음굴절 제어 방법.
PCT/KR2023/009467 2022-07-13 2023-07-05 광-마그논 상호작용을 이용한 음굴절 구현 방법 및 그 제어 방법 Ceased WO2024014772A1 (ko)

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