فعالیت نوری متامواد غیرکایرال مسطحپدیده ی فعالیت نوری که قابلیت چرخیدن وضعیت قطبیدگی نورمیباشد، یک اثر بنیادی الکترودینامیک است که به طور مرسوم به عدم تقارن آینه ای (خصلت کایرالی) مولکولهای آلی، پروتئین ها و ساختارهای معدنی مربوط میشود.
این اثر اهمیت زیادی برای شیمی تجزیه، بلورشناسی، بیولوژی مولکولی و صنعت غذایی دارد و هم چنین اثری مشخص است که برای ردیابی و یافتن اشکال زندگی در ماموریتهای فضایی به کار میرود. شناسایی خصلت کایرالی به عنوان یک انکسار منفی نور منبع (منشا) که برای ایجاد یک لنز کامل مورد نیاز است کاری جدی و پشتکارانه را در گسترش مایکروویو و متا مواد کایرال نوری مصنوعی (به ما) القا کرد. در این مقاله ما نتایج تاحدی شگفت انگیزی را نشان می دهیم (و آن اینکه) ممکن است فعالیتهای خیلی قوی نوری در یک سیستم متامواد متشکل از متامولکولها دیده شوند که به خودی خود کایرال نیستند. اینجا کایرالیته از جهت متقابل مسیر انتشار موج و متا مواد دو بعدی کشیده شده است . ما مفهوم فعالیت نوری با استفاده از یک ساختار متامواد مسطح غیر کایرال که به روش مصنوعی ایجاد شده را شرح می دهیم و نشان می دهیم که این فعالیت نوری به طور غیر قابل تشخیصی ازآنچه که برای سیستمهای مولکولی سه بعدی کایرال آشکار کننده ی شکست مضاعف تشدید شده و دورنگی برای امواج الکترومغناطیسی به طور مدور قطبیده دیده شده، رفتار می کند. فعالیت نوری تشدید شده ی قوی مشاهده شده که با ظهور یک موج معکوس، که ویژگی واسطه ی منفی شاخص است همراه شده است. فعالیت نوری برای اولین بار در 1811 توسط دومینیکو اراگو (Arago (Dominique دیده شد و از آن زمان به بعد، به وسیله ی (از طریق) کوششهای چندین نسل از محققان به مولکولهای کاملا سه بعدی شناخته شده بعنوان دارای خصلت کایرالی پیوند خورد؛ کایرالیته یک ساختار مولکولی مانند یک مارپیچ است که برای آن تصاویر آینه ای نامتجانس دارای عدم تقارن کافی برای نشان دادن چرخش قطبیدگی (فعالیت نوری) میباشند. اثر فعالیت نوری با پدیده ی دورنگی دایره ای برای نمونه جذب تفکیکی برای قطبیدگی دایره ای چپ و راست، پیوند دارد . تلاش اخیر در ایجاد مصنوعی متا مواد فعال نوری که برای دست یافتن به فعالیت نوری قوی، مورد نظر واقع شده است، بر روی انواع مختلف آرایه های کایرال سه بعدی متا مولکولها متمرکز شد. عمدتا کمتر تایید شده است که زمانی فعالیت نوری می تواند دیده شود که مولکولهای غیر کایرال جهت دار یک کایرال سه تایی در جهت بردار موجی نور می سازند. این شیوه فعالیت نوری اولین بار توسط Bunn توضیح داده شد و درکریستالهای مایع مورد ردیابی قرار گرفت.
شکل 1 : متامواد شکافدار مسطح مبنی بر آرایه ای از حلقه های شکاف بدون تقارن که فعالیت نوری و دورنگی دایره ای در تابش مایل نور را نشان می دهد. جهت عدم تقارن با یک بردار قطبی s نمایش داده شده است (از کمان بلند به کمان کوتاه جهت دارد). فعالیت نوری زمانی دیده می شود که صفحه ی متامواد پیرامون محور x منحرف شده است. بنابراین نمونه ی معمول n در زاویه ای α≠0 با بردار موج موج فرودی k قرار دارد. وضعیت I و II دو ترتیب انانتیومتری هستند که فعالیت نوری علامتهای مخالف را نشان می دهند. وضعیت III متناظر با تابش معمولی هیچ فعالیت نوری را نشان نمی دهد.
اینجا ما نشان می دهیم که این یک شیوه پر اهمیت فعالیت نوری در متا موادی است که می توانند بعنوان ساختارهای ذاتا مسطح که نه خصلت کایرالی دو بعدی دارند نه خصلت کایرالی سه بعدی و برای ساختن نسبت به متا مواد مبنی بر آرایه های متامولکولی کایرال سه بعدی ساده تر هستند، دیده شوند. ما بحث کردیم که برای نشان دادن فعالیت نوری، متا مولکولهای یک ساختار متامواد مسطح می توانند یک خط تقارن آینه ای داشته باشند، اما بایستی فاقد یک مرکز وارونه سازی باشند. آنها باید یک جهت قطبی s (همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است) داشته باشند.
شکل 2 : یک قطعه از متامواد شکافدار مسطح ساختگی درفیلم ضخیم آلومینیوم عکسبرداری شده در برابر یک زمینه ی نور. برش سایه روشن مربع ساختمان اصلی بلوک دوبعدی متناوب ساختار متامواد را نشان می دهد. نوار در قسمت پایین عکس طول موج λ تابش در قطبش تشدید شده ای که مشاهده شده بود را نشان می دهد.
یک آرایه ی منظم جهت دار از چنین متامولکولهایی هیچ فعالیت نوری را در انتشار معمولی نشان نخواهند داد. با این حال، متا مواد در انتشار مورب به طور نوری در صورتی فعال خواهند شد که سطح انتشار دارای جهت قطبی نباشد. در واقع، در این بحث بردار موجی k بر صفحه ی n عمود است. و بردار قطبی s یک مجموعه کایرال سه بعدی را تشکیل می دهد. شکلهای انانتیومر این بردارها با فعالیت نوری علامتهای مخالف که با کج کردن صفحه ی ساختار در جهت های وارونه نسبت به بردارموج فرودی ایجاد شده اند، مطابقت دارد. (I و II در شکل 1 را مقایسه کنید). ما فعالیت نوری را در یک ورق نازک فلزی قائم مشبک با یک آرایش منظم دو بعدی از حلقه های شکاف دار مشاهده کردیم (شکل 2). حلقه های شکاف به طور غیر متقارن به جفت کمانها با طول متفاوت جداشده با درزهای هم اندازه، شکافته شده اند. هر حلقه ی شکاف یک خط از تقارن آینه ای در طول محور x دارد اما هیچ محور دو تایی چرخشی ندارد این مورد ما را قادر میکند تا یک بردار قطبی sرا نشان دهیم که در نمونه ما به سوی کمان کوتاهتر نشانه رفته است (شکل 1 را ببینید). محمدوده ی اثر در چنین ساختار مسطح غیر کایرالی ممکن است با در نظر گرفتن یک"سلول واحد" که شامل یک بخش از صفحه ی فلزی منحرف شده با یک تک چاک حلقه ی شکاف است به آسانی دیده شود (شکل 1). با استفاده از مجموعه اصطلاحات مبحث بلور شناسی، اگر جهت انتشار نور با چندین موقعیت مواجه شود یک "جهت پیچی " از سلول واحد خواهد بود (یعنی جهت پیچیدن خواهد داشت). اول، خود سلول واحد نبایستی دارای مرکز وارونه سازی داشته باشد که این بوسیله ی عدم تقارن حلقه های شکافدار تضمین شده است. دوم، آنجا نباید هیچ انعکاس قرینه در صفحه ی عمود بر جهت انتشار موجود باشد که توسط برخورد تابش مورب فراهم شده باشد. سوم ، آنجا نباید هیچ وارونه سازی یا محور چرخش بازتابی در امتداد جهت انتشار باشد که این توسط برخورد مورب و شکاف نامتقارن فراهم شده است. و در پایان آنجا نباید هیچ انعکاس قرینه ای برای هر سطح شامل جهت انتشار باشد. این شرط فقط اگر شکاف عمودی نباشد و بنابراین بردار s موازی با صفحه ی برخورد yz نباشد تحقق یافته است . بنابراین با مراجعه به شکل 1 در وضعیت I و II جهت انتشار نور یک جهت پیچش است و فعالیت نوری را حمایت می کند. در مقابل حالت III، برخورد معمولی برای دومین، سومین و چهارمین حالت آزمون "جهت پیچش" شکست می خورد. برای نمونه در برخورد معمولی اینجا یک صفحه ی انعکاس قرینه دارای جهت انتشار وجود دارد . در آزمایشات ما تلفات و دوره های تاخیر برای امواج الکترومغناطیسی به طور مدور قطبیده منتشر شده در میان متامواد را اندازه گیری کردیم (شکل 2 را ببینید). ساختار شکاف شماری از ویژگی های مرموز و مفید را دارد. ذاتا وجود ورقه ی فلزی مشبک برای تابش الکترومغناطیس مجزا از یک محدوده طیفی باریک حدود فرکانس تشدید شفاف نیست که در این فرکانس طول موج تقریبا دوبرابر طول شکافها است. عمل پخش در تشدید به طور فوق العاده بالاست و به طور اساسی با کسری از ناحیه ی گرفته شده بوسیله ی برشها پیشی می گیرد. چون تلفات ژول در فلزات در این بسامدها ناچیز است، انرژی تابش بین تابش منعکس شده و ارسال شده تقسیم می شود و در انعکاس تشدید اندک است. نزدیک بسامد تشدید و یک اکتاو بالاتر از آن، ساختار، تابش الکترومغناطیسی را نمی پراشد، بلکه تابش الکترومغناطیسی برای طول موجهای کوتاهتر از گام آرایه پراشنده می شود. همانطور که نشان داده خواهد شد پایین ساختار یک تشدید به شکل زنگ درآمده ی قوی دوشکستی دایره وار را نشان می دهد که منجر به یک چرخش قطبیدگی قوی می شود، در حالیکه دورنگی مدور در پایین ترین نقطه در تشدید است. این ویژگی خیلی مفید درمقایسه ای قابل توجه با فعالیت نوری در اغلب سیستمهای مولکولی است جایی که به طور مشخص چرخش قطبیدگی تشدید قوی توسط دورنگی مدورذاتی منتج شده با قطبیدگی بیضوی، همراه شده است. به علاوه درتشدید فعالیت نوری، سیستم دوشکستی غیر خطی (غیر منظم) را نشان می دهد و بنابراین حالات انرژی دو قطبش مدور با اتلافهای ملایم یک نوع هستند که ایجاد یک چنین ساختاری یک نقشه ی ایده آل برای مشاهده ی یک ضریب انکسار منفی برای قطبشهای دایره ای است.
شکل 3 : (a) دورنگی دایره ای Δ و (b) دوشکستی دایره ای δΦ ساختار متامواد مسطح اندازه گیری شده در وضعیتهای انتشار I ،II (زاویه تمایل α=±30°) و III (α=0°) نشان داده شده در شکل 1
اگر ساختار بعنوان یک "جعبه سیاه" در نظر گرفته شود، اندازه گیری اتلافها و مرحله های تاخیر برای امواج الکترومغناطیسی به طور دایره وار قطبیده شده ، اطلاعات درباره ی دورنگی مدور و فعالیت نوری متوسط در "جعبه سیاه" را تامین می کند. در اصطلاحات کاربردی ما ماتریس ترکیب انتقال tij برای امواج به طور دایره وار قطبیده شده را اندازه گیری کردیم . اینجا زیرنویسهای + و – به طور مشابه چپ و راست امواج به طور دایره وار قطبیده شده را مشخص می کنند. اندازه گیری های ما نشان می دهد که عناصر قطری (t ++ وt - - ) معمولا نشان دهنده ی این نیستند که ساختار واقعا فعال نوری است. تفاوت بین مقادیر عناصر قطریΔ= |t++|2- |t--|2 یک اندازه از دورنگی مدور "جعبه سیاه" است در حالیکه در مقابل اختلاف فاز یک اندازه از دو شکستی مدور خودش است. (δφ=arg(t++)-arg(t--)) (شکل 3 را ببینید.) عناصر غیر قطری ماتریس در حدود دقت آزمایشی برابرند که حضور مورد انتظار مقداری ناهمسانی در ساختار را نمایان می کند، اما یک فقدان کامل اثرات عدم تقارن انتقالی اخیرا کشف شده در ساختارهای کایرال مسطح را نیز نشان می دهد. در تمام موارد آزمایش انجام شده در جهتهای متضاد انتشار موج نتایج یکسانی نشان می دهد. ویژگی های مشخصه ای زیر از مفهوم در آزمایش مشاهده شده بود: i ) هیچ دوشکستی مدور یا دورنگی در انتشار معمولی برای آرایه ی متا مواد دیده نشده است (α=0) ii) معادله ی برخورد درجهت های مخالف، دورنگی مدور و دوشکستی مدور در علامت مخالف را ثمر می دهد. اثر مشاهده شده یک تشدیدکننده ی طبیعی دارد که پیرامون تشدید بین 9 گیگاهرتز و 10 گیگاهرتز در جایی که میانگین قوس طول مطابق با تقریبا نصف طول موج است، قویترین است.
شکل 4: پاسخهای الکتریکی و مغناطیسی در یک سیم حلقه ی شکافدار غیر متقارن .جریانهای نوسانی در حلقه ی شکافدار a ) می تواند به عنوان مجموع تقارنی معرفی شود b ) و پاد تقارنی c ) جریانهایی که با دوقطبی الکتریکی القا شده در صفحه ی حلقه ی d (پیکان سبز رنگ) و دوقطبی مغناطیسی عمود بر صفحه ی m (پیکان قرمز رنگ) مرتبط است. برای حلقه های شکافدار غیرمتقارن منحرف شده، اگر تصویر d وm بر صفحه ی عمود بر بردار k (به طور متناظر با پیکانهای سبز و قرمز نقطه چین شده ) قائم باشند چرخش قطبیدگی تنها وجود ندارد (d) اگر هردوی این تصویر ها موازی باشند (e) یا غیر موازی باشند (f) قویترین چرخش قطبیدگی جایی رخ می دهد که فعالیت نوری برای نمونه های (e) و (f) علامتهای مخالف دارد .
علت میکروسکوپی فعالیت نوری متا مواد شکافدار می تواند با مطرح کردن یک ساختار مکمل که آرایه ای از شکافها نیست بلکه آرایه ای از سیمهای فلزی در شکل حلقه های شکافدار است به راحتی فهمیده شود (شکل4 را ببینید). مانند فعالیت نوری مرسوم نمایش داده شده بوسیله ی مولکولهای کایرال، اثر باید درحضور هر دو پاسخ الکتریکی و مغناطیسی نتیجه شود.اینجا، عدم تقارن ساختاری حلقه های شکاف دار نقشی کلیدی ایفا می کنند : همانطور که در شکل 4(a) نشان داده شده یک موج قطبیده در امتداد شکاف جریانهای نوسانی نابرابر در بالا و پایین قوسهای حلقه را تحریک می کند که این ممکن است بعنوان یک جمع جریانهای متقارن و نامتقارن نشان داده شود که مطابق است با تحریک الکتریک دو قطبی در سطح حلقه و دوقطبی مغناطیس عمود بر حلقه (شکلهای(c) و4(b) را ببینید) . اکنون ما باید انتشار غیر معمول موج بر ساختار را بررسی کنیم (شکلهای4(d)-4(f) را ببینید). اینجا پیکانهای آبی، قرمز و سبز، بردار موج k و مغناطیس تحریک شده m و الکتریک d دو قطبی های واحد سلول متامواد را نمایش می دهند، در حالیکه پیکانهای خط چین تصویر متناظر دوقطبی گشتاورهای به طرف صفحه عمود بر بردار موج را نشان می دهند. دوقطبی مغناطیسی همیشه در جهت عمود بر صفحه ی ساختار است و چنانکه ما در بالا دیدیم دو قطبی مغناطیسی با جابجایی میدان الکتریکی در امتداد شکاف برانگیخته میشود. اگر شکاف بر صفحه ی انتشارعمود نباشد ساختار فعالیت نوری را نشان می دهد. بیشترین فعالیت نوری زمانی مشاهده شده که شکاف موازی صفحه ی انتشار است، در این نمونه، بردار موج و دوقطبی های تحریک شده ی الکتریکی و مغناطیسی هم صفحه هستند. اختلاف فاز دو طرفه بین پاسخهای الکتریکی و مغناطیسی و بنابراین علامت فعالیت نوری به علامت شیب بستگی دارد (تصویر دوقطبی های الکتریکی و مغناطیسی در شکلهای 4(e)و4(f) مقایسه کنید). به طور مشابه با آنچه که در واسطه کایرال مرسوم اتفاق می افتد، زمانی که بردار موج و دوقطبی های الکتریکی ومغناطیسی تحریک شده "متامولکول" هم صفحه هستند دو قطبی نوسانی، امواج الکترومغناطیسی پراکنده با قطبیدگی های عمودی در جهت انتشار موج ایجاد می کند و بنابراین قطبیدگی موج منتقل شده می چرخد. در مقابل، اگر شکاف عمود بر صفحه ی انتشار باشد دو قطبی های الکتریکی و مغناطیسی تحریک شده به خوبی تصویرشان عمودی هستند و ساختار هیچ فعالیت نوری نشان نمی دهد (شکل4(d) را ببینید ): دو قطبی های الکتریکی و مغناطیسی نوسان کننده، امواج الکترومغناطیسی از قطبش مشابه را منتشر می کنند که در امتداد جهت موج فرودی پخش می شوند. مطابق قاعده بابینت ساختار شکافدار متامواد بحث شده در بالا، تشدیدهای قطبیدگی مشابه در همان باند بسامدی را نشان خواهند داد .
شکل 5 : (a) پراکندگی تاخیر فاز Φ برای امواج قطبیده ی مدور منتقل شده ی چپ و راست . قسمتهای سایه دار، حدود بسامد با حالت انرژی تقریبا دایره ای جایی که سرعت فاز pν و گروه فاز gν برای قطبیدگی دایره ای راست علامتهای مخالف دارند که مشخصه ای برای واسطه ی دست چپ است را نشان می دهد .(b) شدت منتقل شده ی هردو امواج قطبیده ی مدور چپ و راست . (c) بازده تبدیل مدور که یک نشان مستقیم از نامتقارنی (دوشکستی خطی) از پاسخ متامواد است. داده ها در تمام تابلوها با وضعیت انتشار I نشان داده شده در شکل 1 جایی که زاویه ی انحراف برابرα=30° است، مرتبط هستند.
در متامواد شکافدار، در باندطیفی تشدید از حدود 9 تا 10 گیگاهرتز، ناهمسانی کاملا ناپدید می شود (اینجا تبدیل مدورt+-= t-+ = 1/2.(txx –tyy ) ناچیز است همانطور که در شکل 5(c) نشان داده شده است). حالات انرژی قطبش خیلی نزدیک به دایره وارهستند و در جهت بردارk ، مواد بعنوان ایزوتروپ نوری متوسط فعال رفتار می کنند. به علاوه، در دسته ی طیفی اتلاف نشان داده شده توسط |t++|2 و |t--|2 نسبتا کوچک هستند ( شکل 5(b) را ببینید). به طور مهم، اینجا فاز سرعت (νp ~ ω/φ جایی که =2πƒω ) و سرعت دسته (νg ~ dω/dφ) برای قطبیدگی دایره ای راست علامتهای مخالف نشان دهنده ی ظاهر یک موج وارونه دارد ( شکل 5(a) را ببینید). و پایانی، مدرک رفتار دست چپ مواد و نشانه ای از انکسار منفی درجسم واسطه کایرال تشدید شده است. بر طبق" پیش بینی پندرای" انکسار منفی باید در تشدید برای یکی از قطبیدگی های دایره ای تنها درمبادله با قطبیدگی دایره ای مخالف درترکیب انانتیومتری واسطه دیده شود. این درست چیزی است که ما در آزمایشات خود مشاهده کردیم : علامتهای مخالف گروه و سرعت فاز برای قطبیدگی دایره ای راست در30°= α و برای موج قطبیده چپ برای آرایش انانتیومتری در -30°=α دیده شده اند . اینجا قسمت واقعی ضریب انعکاس موثر می تواند برآورد شود بعنوان n ≈ -|cφ/ωh| ≈ - 2.5 جایی که h پهنای ساختار در جهت انتشارش است. در پایان ما تشدید قوی فعالیت نوری استفاده شده در یک متامواد غیر کایرال مسطح را نشان داده ایم، برای اینکه همچنین علامتهای امواج وارونه قطبیده ی به طور دایره ای را مشاهده کردیم. ما استدلال کردیم که پشته سازی چنین ساختارهای مسطح ساده ای ممکن است فرصتی برای توسعه ی از نظر فنی بالای مناسب و کاربردی ضریب منفی واسطه تامین کند. * خلاصه روش ها: - نمونه توصیف و ساخت: متا مواد مسطح دو دوره ای با یک سلول واحد جذر 15 *15 mm2 (شکل 1 را ببینید) ، که مطمئن می سازد که ساختار تابش الکترومغناطیس را در وقوع معمول برای فرکانسهای کمتر از 20 گیگاهرتز نمی پراشد. اندازه تمام نمونه تقریبا 220 * 220 mm2 بود. سلول واحد متا مواد شامل یک حلقه شکاف دار به طور بدون تقارن شکافته با پهنای 1mm و شعاع 6mm در ورقه ی آلومینیوم مستقل1mm ضخامت کنگره دار شده می شود . - تکنیک اندازه گیری: تمام اندازه گیری های انتقال در یک اتاق بدون انعکاس در حدود فرکانسی 3 – 15 گیگاهرتز استفاده شده از شاخه آنتن های پهن باند تجهیز شده توسط لنز متمرکزکننده و یک شبکه تحلیل بردار ایجاد شدند.
* ترجمه و ارسال: " sara2008 " - از اعضای تیم علمی - تخصصی مترجمین هوپا * ارتباط با مترجم: اینجا را کلیک کنید * ارتباط با تیم علمی - تخصصی مترجمین هوپا: اینجا را کلیک کنید * ارتباط با ویراستار تیم و تذکر اشتباهات نگارشی: [email protected] "توجه":استفاده از این مقاله یا مقالات و اخبار دیگر شبکه ی فیزیک هوپا "تنها و تنها" با ذکر منبع، نام مترجم، منبع اصلی مقاله و نقل قول از هوپا مجاز میباشد. هر گونه بی توجهی به این موضوع متخلفین را تحت پیگیرد های قانونی قانون کپی رایت قرار خواهد داد. |
