Manyetik fotonik kristallerde negatif kırılma indisi incelemeleri
Negative refraction index investigations in magnetic photonic crystals
Yazar: EKREM DEMİREL
Danışman: PROF. DR. BEKİR AKTAŞ
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Ferromanyetik rezonans = Ferromagnetic resonance ; Fotonik kristaller = Photonic crystals ; Kırılma indisi = Refractive index ; Manyetik geçirgenlik = Magnetic permeability ; Örgü yapısı = Lattice structure ; İnce metalik filmler = Thin metallic films

Özet:
Solak malzemeler son yıllarda yoğun bir şekilde çalışılmaktadır. Bu alandaki çalışmaların çoğu ara-madde yapılarına yoğunlaşmıştır. Solak malzemeler dielektrik sabiti ve manyetik geçirgenlik (permeabilite) parametresinin ikisinin birlikte negatif olduğu frekans bandında negatif kırılma özelliği gösterirler. Bu güne kadar yapılan ara-madde yapısındaki solak malzemelerin özellikleri manyetik alan, elektrik alan v.b. gibi dış parametrelerle modüle edilebilir değildir.Bu tez çalışmasında ferromanyetik ince filmlerin ve ferromanyetik tel örgülerden yapılan fotonik kristallerin solaklık özellikleri araştırıldı. Ferromanyetik ince filmlerin negatif manyetik geçirgenlik ve negatif kırılma indisi özellikleri teorik hesaplamalar yapılarak gösterildi. Ferromanyetik tel örgü yapılarının solaklık özellikleri deneysel olarak araştırıldı. Solaklık özellikleri dış manyetik alan uygulanarak modüle edildi. Bu amaçla manyetik özelliğe sahip ve manyetik özelliğe sahip olmayan silindirik ince teller ve ince iletken şeritler kullanarak çok sayıda iki boyutlu makroskopik fotonik kristal örgüler yapıldı. Fotonik kristalin manyetik geçirgenlik parametresinin ferromanyetik rezonans frekansına yakın bir frekans bandında negatif olduğu gösterildi. Böylece, dış statik manyetik alan taranarak ferromanyetik rezonans frekansı ve negatif kırılma indisi frekans aralığı kontrol edildi. Bu amaçla, dikdörtgen ve üçgen şekle sahip iki boyutlu fotonik kristaller yapıldı ve bu yapıların mikrodalga geçirgenlik özellikleri araştırıldı. Ayrıca üçgen şeklindeki fotonik kristalin kırılma açısını belirlemek için açısal ölçümler yapıldı. Mikrodalga geçirgenlik deneylerinde, dış manyetik alan ve mikrodalga frekansı parametrelerinden birisi sabit tutulup diğeri taranmıştır. Yapıdan geçen sinyal kısmi olarak ferromanyetik rezonans soğurulması, kısmi olarak da manyetik geçirgenlik parametresinin ve dielektrik sabitinin reel kısımlarınca belirlenen negatif kırılma indisi tarafından belirlenir. Bazı durumlar için dış manyetik alanın varlığında yapıdan geçen sinyal, dış manyetik alanın yokluğuna göre 10 dB'den fazla artış göstermiştir. FMR rezonansı her zaman enerji soğurarak geçen sinyalin azalmasına neden olduğundan; dış manyetik alanın varlığında geçen sinyal seviyesindeki artış, manyetik geçirgenlik parametresinin reel kısmının değişimiyle negatif kırılma indisini modüle etmesine bağlanabilir. Ayrıca deneylerde kullanılan fotonik kristalin manyetik geçirgenlik parametresinin sabit frekansta manyetik alana göre değişimi ve sabit manyetik alanda frekansa göre değişimi teorik hesaplarla incelendi. Fotonik kristalin manyetik geçirgenlik parametresinin negatif değer aldığı frekans aralığında geçirgenliğin değiştiği gözlemlendi. Üçgen şeklindeki fotonik kristal için mikrodalga geçirgenliğinin negatif kırılma açısı bölgesinde arttığı gözlemlendi.Ferromanyetik ince filmlerin negatif manyetik geçirgenlik (permeabilite) parametresi teorik olarak mikrodalga frekans bandında incelendi. Dışarıdan uygulanan manyetik alanın kristal eksenlerine göre yaptığı değişik açılar için manyetik geçirgenlik parametresi incelendi. Kübik manyetik kristal anizotropi parametresine sahip ferromanyetik ince filmler için dinamik manyetik geçirgenlik parametresinin reel kısmının negatif olduğu birden fazla manyetik alan aralığı bulundu. Ayrıca düşük manyetik alan bölgesinde negatif manyetik geçirgenlik parametresi sıfır dış statik manyetik alan bölgesine kadar uzanabilir.

Abstract:
Left handed materials have been extensively studied in recent years. Much of interests in this area are focused on metamaterial structures. The left handed materials show negative refraction property in a frequency band where both dielectric permittivity and magnetic permeability are negative. The properties of left handed meta-material structures which were built until now are not modulable by external parameters such as magnetic field, electric field etc.In this thesis work, the left handed properties of ferromagnetic thin films and photonic crystals made from ferromagnetic wire lattice were investigated. Negative magnetic permeability and negative refractive index property of ferromagnetic thin films were investigated theoretically. Left handed property of ferromagnetic wire lattice was investigated experimentally. The left handed properties were modulated by applying an external magnetic field. For this purpose, two dimensional macroscopic lattices were built by using either or both magnetic and/or non-magnetic cylindirical thin wires and thin conducting stripes. It was shown that the magnetic permeability of photonic crystal can be negative in a frequency band near to ferromagnetic resonance frequency. Therefore, sweeping external static magnetic field, ferromagnetic resonance frequency and hence negative frequency range can be modulated. For this purpose, rectangular and triangular two dimensional photonic crystals was built and microwave transmission through these structures was measured. It was also made some angular measurements to determine the refraction angle of triangular shaped photonic crystal. In the microwave transmisson experiments, one of external magnetic field or microwave frequency was kept constant and the other was swept. The transmitted signal was seen to vary partly due to both ferromagnetic resonance absorptions and partly due to negative refractivity which determined by real parts of magnetic permeability and electrical permitivity. For some situations the transmitted signal in the presence of external magnetic field was increased more than one order of magnitude (10 dB) compared to its value recorded without external field. Since the FMR resonance always absorb energy to allow for the transmitted signal less, the increement in the transmitted signal in the presence of the external field can only be attributed to the change of real part of the magnetic permeability modulating negative index of refraction. Some theoretical calculations were also made for the permeability of the photonic crystals used in our experiments as a function of magnetic field in constant frequency and also as a function of frequency in constant magnetic field. The transmission changes were found in a frequency region where the permeability of photonic crystal takes negative value. It was also found that an increase in microwave signal transmission at negative refraction angle region for triangular shaped photonic crystal.Negative magnetic permeability of ferromagnetic films was studied theoretically in microwave frequency region. The magnetic permeability was analyzed by employing the dynamic equation of motion of magnetization for different directions of the applied magnetic field with respect to crystalline axes. Considering very thin ferromagnetic layer with cubic magneto-crystalline anisotropy energy, it is found that there can be multiple regions of the field value in which the real component of the dynamic permeability becomes negative. In addition, the low-field region for negative permeability can be extended even to the zero external static magnetic field.