Terahertz metamalzeme

Terahertz metamalzemeleri birleşimin yeni bir sınıflandırılma biçimidir. Suni malzemeler hala terahertz (THz) frekanslarıyla etkileşimde olan gelişim süreci altındadır. Terahertz frekansları malzeme araştırmalarında sık sık 0.1'den 10 terahertz frekansına kadar kullanılmaktadırlar.
Bu bandın genişlik aralığı ise aynı zamanda terahertz boşluk olarak da biliniyordu çünkü gözle görülür bir biçimde kullanılmamış olduğu belliydi. Bu yüzden terahertz dalgaları mikradalgalardan daha yüksek olan fakat infrared ve görünür ışıktan daha düşük frekansa sahip elektromanyetik dalgalardır. Bu karakteristik durumlar terahertz radyasyonlarını düzenli elektronik bileşenlerle ve cihazlarla etkilemenin çok zor olduğunu anlatmaktadır. Elektronik teknolojisi elektronların akışını kontrol etmektedir ve mikrodalgalar için ve radyo frekansları için çok iyi bir şekilde geliştirilmişlerdir.
Buna benzer olarak, terahertz boşluğu optiksel ve fotonik dalgaboylarını sınırlandırmaktadır; infrared, görünür ve ultraviyole aralıkları veya spektrumları lens teknolojilerinin çok iyi geliştiği bölgelerde oluşmaktadırlar. Buna rağmen, terahertz dalgaboyunun veya frekans aralığının güvenlik görüntülemelerinde kullanışlı olduğu saptanmıştır. Medikal görüntüleme, kablosuz iletişim sistemleri ve zarar vermeyen evrimleşme ve kimyasal kimlik saptama submililitre astronomisinde de olduğu gibi saptanmıştır. Sonuç olarak, iyonlaşmamış radyasyon X-ray taramasında herhangi bir doğasında bulunan riske sahip değildir.
Metamalzemeler hakkında
Son zamanlarda, malzemelerin doğal olarak oluşan temel eksikleri yeni yapay kompozit malzeme oluşturmak için gerekli görülen elektromanyetik cevapları hazırlamaktadır ve bunlar metamalzemeler olarak adlandırılmaktadırlar. Metamalzemeler kafes yapılarına dayanaraktan kristal yapıları taklit etmektedir. Buna rağmen yeni maddelerin kafes yapıları tam gelişmemiş elementlerden oluşmaktadır. Bunlar atomdan veya tek molekülden çok fazla büyüktürler. Fakat bu maddeler doğada oluşan maddelerin aksine yapay yollarla elde edilmektedirler. Terahertz radyasyon dalgasının boyutları altında henüz bir etkileşme gerçekleştirilememiştir. Buna ek olarak, istenilen sonuçlar üretimiş olan temel elementlerin rezonant frekanslarına dayandırılmaktadırlar. İlgi çekiciliği ve kullanışlılığı, rezonant karşılığından türemiştir ve bu özel uygulamalar için uygun hale getirilmiştir. Ayrıca, bu özellikleri elektriksel ve optiksel olarak da kontrol altına alınabilmektedir. Yahut, karşılığı dayanıklı metal olarak da görülebilir.

Elektromanyetik, yapay kafes yapılı malzememeler, belirlenmiş metamalzemeler doğal malzemelerle elde edilmesi mümkün olmayan bir durumun gerçekleştirilmesine öncülük etmektedirler. Bu bir gözlemin soncudur, örnek verecek olursak doğal cam mercek ışıkla tek yollu olarak görülen bir yerde etkileşime girer (elektromanyetik dalga) fakat ışık, iki kollu yoldan gitmektedir. Diğer bir şekilde ifade edecek olursak, ışık elektriksel alandan ve manyetiksel alandan oluşturulmaktadır. Bilindik merceklerde oluşan etkileşimler veya ışığın yoğun olarak elektrik alanda birlikte oluşturduğu doğal malzemeler yoğun olarak baskınkaştırılmıştır. (tek yollu). Merceği oluşturan malzemede oluşan etkileşim gerekli olarak sıfırdır. Bu sonuç kırılma engeli gibi optiksel sınırlamalarda bilindik bir durumdur. Buna ek olarak, doğal malzemelerin temelinde bulunan bir eksik ise ışığın manyetik alanıyla olan güçlü etkileşimidir. Metamalzemeler, sentezlenen kompozit bir yapıdır ve bu sınırlamaların üstesinden gelmiştir. Buna ek olarak, etkileşimlerin seçimi oluşturulmuştur ve fabrikasyon aşamasında tekrar fizik yasaları kullanılarak oluşturulmuştur. Bu yüzden, etkileşimin yetenekleri elektromanyetik spektrum olan ışıkla birlikte daha da genişletilmiştir.
Terahertz teknolojisi
Terahertz frekanları veya milimetre altı dalgaboyları, mikrodalga ve infrared dalga boyları arasında oluşmaktadır ve bunlar mecazi olarak "sahipsiz bölge" olarak adlandırılmaktadırlar ve bu bölgelerde bir cihazın varlığı söz konusu değildir. Çünkü o bölgelerden kısıtlama amacıyla atmosfer boyunca yayılan terahertz bandı, ticari sektörde hala teknolojik gelişmelere dahil edilmemiştir bir şekildedir. Buna rağmen, terahertz malzemeler uzaktan algılama ve spektroskopi alanlarında kullanılabilirliğini sürdürmektedirler. Buna ek olarak, bu bilginin en zengin kısmı submilimetre gözlemleme teknikleri sayesinde toplanmıştır. Özel olarak, bilimler arası branşlarda görev alan araştırmacılar astronomi, kimya, dünya bilimleri, gökyüzü bilimleri ve uzay bilimleri de dahil olmak üzere gaz moleküllerinin farklı türlerinde ve geniş ısısal emilimle alakaları çalışmalar sürdürmektedirler. Bu kadar bilgi özel olarak elektromanyetik radyasyon kısmından sorumlu tutularak elde edilmiştir. Aslında, bütün evren terahertz enerjisi ile kaplanabilir, ve bu süre içinde birçok görünenler görünmez hal alabilir, ihmal edilebilir ve tanımlanamayabilir.
Terahertz metamalzeme cihazları
Metamalzemelerin gelişimi elektromanyetik spektrumun teraherzte kadar olanı ile infrared frekansına kadar olanı geçmiştir. Fakat görünür ışık spektrumunu hiçbir zaman içine almamıştır. Bu duruma örnek verecek olursak, mikrodalgaları kontrol edebilen ve temel elementleri içine alan bir cihaz yapmak kolaydır. Terahertz ve infrared frekansları devamlı olarak küçük boyutlarda ölçeklendirilmişlerdir. Gelecekte, görünür ışık metamalzemeler tarafından güçlü olmak için daha da küçültülmüş dereceli elementleri dahil etmek isteyecektir. Şu anda terahertz frekanslarıyla etkileşim yapması amacıyla yeteneği itibarıyla yapım, görevlendirme ve entegre etmek için terahertz metamalzemeleri ile yapılan uygulamalar evrensel olarak toplum içinde gerçekleştirilmiştir. Bu durumun sebebi yukarıda açıklanmıştır, terahertz yeteneklerin bileşenleri ve sistemi, teknolojiyle alakalandırılmış boşlukları doldurmaktadır. Çünkü, bunu başarabilecek metamalzemeler doğada var mıdır yok mudur bilinmemektedir. Yapay olarak üretilmiş malzemeler onların yerini almak zorundadırlar.
Araştırma ilk olarak pratiksel terahertz metamalzemelerini örneklendirerek başlamaktadır. Buna ek olarak, birçok malzemenin Terahertz radyasyonunu doğal olarak karşılayamamasından bu yana, bu aralığın içine elektromanyetik cihazların kullanışlı uygulamalı teknolojilerle birlikte uygulamayı sağlayan bir sistem inşa etme gereksinimi doğmuştur. Bu tür cihazlar ışık kaynaklarıyla, merceklerle, anahtarlarla, modülatörler ve sensörlerle yönlendirilmiştir. Bu boşluk ayrıca faz değişimini ve ışın demetinin yönlendirilmesini sağlayan cihazları da içine dahil etmektedir. Terahertz bandında gerçek uygulamalar hala başlangıç aşamasındadır.
Orta dereceli süreç başarılmıştır. Terahertz metamalzeme cihazları laboratuvarda akort edilebilir gibi uzak kızılötesi filtrelerle, optiksel anahtar modülatörleri ve soğurucularla örneklendirilmiştir.
Son zamanlarda terahertz ışın yayan kaynakların varlığı genel olarak terahertz kuantum kaskat lazerleri, optiksel pompalşı terahertz lazerleri, geriye yürüyen dalga osilatörü (BWO) ve frekans çoğaltıcı kaynaklar olarak tanımlandırılmaktadırlar.
Buna rağmen, terahertz dalgalarını kontrol etmek için ve engellemek için ışığın diğer spektrum frekans tanımlarında kullanılmıştır.
Buna ek olarak, terahertz frekanslarının kullanımını kolaylaştıran teknolojiler gelişmiş hassasiyet tekniklerinin yeteneklerini göstermektedirler. Dalgaboylarının kısıtlandığı diğer alanlarda ise, Terahertz frekansları yakın gelecekteki güvenlik yeniliklerinde oluşan boşluğu doldurmak amacıyla, halk sağlığında, biyomedikalde, savunmada, iletişimde ve üretimde kalite kontrol yapılan alanlardır. Bu terahertz bandı girişimsel olmayan farklılıklarla ve bunun sonucunda oluşabilecek aksaklıklar ve eksiklikler saçılma oluşturabilirler. Aynı zamanda bu frekans bandı plastik konteynerin içeriğini yapabilece yetenekleri örneklendirmektedirler. İnsan tenini birkaç milimetre kadar kaplayabilen ve hastalık etkileri olmadan kıyafetten geçebilen gizlenmiş elemanları bulabilen ve kimyasal ve biyolojik yapıların sanki yeni geliyormuş gibi zararlı maddelere karşı bir etken haline getirmiştir. Terahertz metamalzemeeri, uygun terahertz frekansında etkileşime girmelerinde dolayı terahertz radyasyonunun kullanıldığı gelişen malzemelere bir cevap niteliğindedir.
Araştırmacılar yapay magnetik yapıların (paramanyetik) veya hibrit yapıların doğal ve yapay maddeleri birleştirebilien malzemelerin terahertz cihazlarda anahtar rolü oynadığını düşünmektedirler. Bazı terahertz metamalzeme cihazları kompakt çukurlar, uyarlanabilir optik ve mercekler, akort edilebilir aynalar, izolatörler ve dönüştürücülerdir.
Terahertz alanındaki zorluklar
THz elektromanyetik şıması üretimi
Terhahertz kaynakların erişilebilirliği olmadan, diğer uygulamaların kullanılabilirliği geri dönmüştür. Bunun tam tersine, yarıiletken cihazlar günlük kullanıma uygun hale gelmişlerdir. Bu reklam ve bilimsel uygulamalar alanın da yapılan ışığın uygun frekans bandında yarı iletken uygulamalarla veya cihazlarla kullanımı genişlemiştir. Görünür ve infrared lazerler bilgi teknolojisinin çekirdeği konumundadır. Buna ek olarak, spektrumun diğer ucunda, mikrodalga ve radyo frekansı alıcıları kablosuz iletişimi de uygun kılmaktadırlar.
Buna rağmen, terahertz sistemi için uygulamalar, önceden 1'den 10 Terahertz boşluğuna kadar tanımlanmışlardı ve kıyaslama olduktan sonra zayıflayan taraf olmuştur. Gerekli olan Terahertz frekanslarını veya dalga uzunluklarını oluşturmak için gerekli olan kaynaklar oluşturulmuştur fakat diğer zorluklar kullanışlılığını gizlemiştir. Terahertz lazer cihazları kompakt bir biçimde değillerdir ve bu yüzden taşınabilirlik eksikliği yüzünden sistemlerin içine kolaylıkla entegre edilememişlerdir. Buna ek olarak, düşük güç tüketimi, katı hal terahertz kaynakları eksilmektedirler. Ayrıca, şimdiki cihazlar bir veya daha fazla düşük güçlü verim eksikliği, zayıf akort yeteneği ve sıvı helyum oluşturmak için çok soğuk sıvılar da gereklidir. Ek olarak, uygun kaynakların eksikliği spektroskopideki olanakları gizlemektedir, hissetmeden uzaklaştırma, ücretsiz uzay iletişimi ve medikal görüntülemede de kullanılmaktadırlar.
Aynı zamanda, potansiyel terahertz frekansı uygulamaları evrensel olarak araştırma halindedir. Son zamanlarda teknolojide yapılan iki yenilik, Terahertz zaman-bölgesi spektroskopisi ve kuantum kaskat lazerleri dünya genelinde gelişimin kalabalık bir kısmını oluşturmaktadırlar.
Buna rağmen, cihazlar ve gerekli, efektif terahertz radyasyonunu idare etmek amacıyla daha çok gelişme 2012 yılına kadar yapılan ne varsa başarılmıştır.
Manyetik alan etkileşmesi
Yukarıda kısaca özetlenmiş olsa da, doğal olarak oluşan malzemelerin örnek verecek olursak bilinen mercekler ve cam prizmaları ışığın manyetik alanıyla önemli bir ölçüde etkileşime girmesi engellenmiştir. En önemli etkileşim olan elektriksel geçirgenlik ise elektrik alanla birlikte oluşmaktadır. Doğal malzemeler içinde, herhangi bir işe yarar etkileşim gigahertz menzilinde olan bir frekansı gitgide azaltmaktadır. Elektriksel alanla olan etkileşimle kıyaslayacak olursak, manyetik bileşen terahertz, infrared ve görünür ışık menzillerinde belirsizdir. Bu yüzden, mikrodalga frekanslarında oluşan pratiksel metamalzemeler sayesinde gözle görünür bir gelişme gerçekleşmiş oldu çünkü ilk bilinen elementlerin metamalzemeleri kavrama ve indükleyici cevaplar manyetik bileşeni orantılı bir biçimde elektriksel eşleşme ve indükleyici olarak örneklendirmiştir. Yapay manyetizmanın varoluşunun bu örneklendirilmesi önceden terahertz ve infrared elektromanyetik dalgalara veya ışıklara uygulanmışlardı. Terahertz ve infrared alanının içinden doğada daha önce hiçbir şekilde bulunmadığının sonucu çıkarılabilir.
Buna ek olarak, her aşamada yapaysal olarak üretilen metamalzeme ve yapı fazı ışığın veya terahertz elektromanyetik dalganın nasıl seçileceğine dair malzemede ve ulaşımda nasıl yol alacağını göstermektedir. Bu derecede bir seçim bilinen malzemelerle mümkün olmamaktadır. Burada oluşan kontrol elektriksel manyetik birleşmeden türemektedir ve uzunluğu elektromanyetik dalgalardan kısa olan gelişmemiş elementlerin toplanmış metamalzemelere olan bir karşılığıdır.
Işığın içinde bulundurduğu elektromanyetik radyasyon etki ettiği maddeye enerji ve momentum taşımaktadır. Radyasyon ve malzeme birlikte yaşayan iki türdür. Radyasyon malzemenin üstünde basit bir şekilde etki göstermez ya da maddenin üstünde bir role sahip değildir fakat radyasyon malzemeyle sürekli bir etkileşim halindedir.
Herhangi bir maddenin manyetik etkileşimi, veya indüklenmiş birleşmesi, geçirgenliğe kolaylıkla nakledilebilir. Doğal hallerle oluşturulabilen malzemelerin geçirgenliği pozitif bir değere sahiptir. Metamalzemelerin eşsiz yeteneği geçirgenlik değerlerini sıfırdan daha küçük bir negatif sayıya taşımaktır ve buna doğada erişmesi mümkün değildir. Negatif geçirgenlik ilk olarak mikrodalga frekanslarında ilk metamalzemelerle gerçekleştirilmiştir. Birkaç yıl sonra, negatif geçirgenlik terahertz bölgesinde örneklendirilmiştir.
Manyetiksel olarak eşlenebilen malzemeler özel olarak terahertz veya optiksel frekanslarda nadirdir.
Doğal yollarla elde edilen bazı manyetik malzemelerle alakalı olarak yayınlanmış bir araştırmaya göre bu malzemeler mikrodalga eşiğinin üstündeki frekansların isteğini karşılamaktadırlar ama bu karşılık pek güçlü bir karşılık değildir vedar bir frekansa sınırlandırılmışlardır. Bu eksiklik terahertz cihazlarda kullanım kolaylığı sağlamaktadırlar. Manyetizmadaki gerçeklik hakkında söylenenlere göre terahertz ve daha yüksek frekanslarda ciddi bir derecede terahertz optiğini ve onun uygulamalarını etkilemektedir.
Bu manyetik eşlemeyi atomik seviyede yerine getirmek zorundadır. Bu eksiklik metamalzemeleri atomik eşleme yöntemini kullanarak atomdan daha yüksek bir skalada üstesinden gelmektedir.
İlk terahertz metamalzemeler
İlk terahertz metamalzemeler negatif geçirgenlik değerlerini içine alan istenilen manyetik düzeyi sağlamayı başarabilmişlerdir ve bunlara pasif malzemeler adı verilmiştir. Bundan dolayı, tonlama yeni malzemeyi üreterek hafifçe boyutlarını değiştirerek yeni bir cevap üretmek için gerçekleştirilmiştir. Buna rağmen, önemli gelişme veya pratiksel başarı olarak adlandırılan bu buluş, aslında metamalzemelerle birlikte nasıl gizlenmesi gerektiğine bir örnek oluşturmaktadır.
İlk örneklendirme için birden fazla metamalzeme üretilmiştir. Buna rağmen, örneklendirme yalnıza 0.6 dan 1.8 terahertz'e kadar olan menzili örneklendirmektedir. Sonuçların terahertz frekansı bölgesi boyunca olmasının etkilerinin tonlama üzerinde gösterileceğine yapının boyutlarını birimlendirrerek göstereceğine inandırmıştır. Bu 6 Terahertz'den 10 Terahertz'e kadar alanı örneklendirmesiyle takip edilmiştir.
İlk örneklendirmeyle birlikte, elementleri derecelendirirken ve yerleştirirken, frekans menzillerinin başarısı için yetkilendirilmişlerdir. Bu metamalzemeler düşük frekans aralığında olmalarının yanı sıra aynı zamanda manyetik olmayan malzemeler alanına da dahil edilmişlerdir ama bu malzemeler aslında iletken malzemelerdir. Bu düzenleme elektriksel manyetik bileşenlerde eş zamanlı olarak rezonans durumu oluşmasını sağlamaktadır. Ayrıca, bu yapay üretilmiş olan malzemeler gerekli olan her şeyi kolaylıkla karşılamaktadırlar.
Rezonans durumunu karşılayan elementler için özel frekans aralıklarında, özel tasarlanmış element tarafından düzenlenmektedir. Daha sonra bu elementler tekrar eden bir örneği oluşturmaları için yerleştirilmişlerdir, aynısı bilinen metamalzemeler içinde geçerlidir. Bu durumda, eşleştirilmiş ve düzenlenmiş elementler, yerleştirilmesi için üzerlerine çektikleri dikkatten dolayı daire, dikdörtgen, düzlemsel yapılı malzemelerdir. Terahertz frekanslarını yürütmek için düzenlendiklerinden bu yana, fotolitografi elementleri alt katmanlara yer edindirmek amacıyla kullanılmaktadır.
Manyetik karşılıklar ve kırılma endeksi
Parçalı halka şeklinde olan rezonans üretmeyi ve yükseltmeyi sağlayan cihaz (SRR) birçok deneyde kullanılmak üzere tasarlanmış olan bir metamalzemedir. Mıknatıssal tepki (geçirgenlik) farklı özellikleri rezonans frekansı etrafında merkezleştiren elementleri, terahertz frekansında bakır iletkenli SRR ve manyetik olmayan elementlerin bir araya gelmesi sonucunda oluşmasını başarmıştır. Yarım halka yankılayıcı terahertz bölgesi boyunca tonlama özelliğini göstermektedir. Buna ek olarak, tekrar eden yapılar, bileşen malzemelerden ortalama alaraktan elektromanyetik alanın engellediği ve terahertz radyasyonunu transfer ettiği gibi bir maddeden oluşmuştur. Bu ortalama tekniği etkin ortam karşılığı olarak tanımlanmaktadır.
Etkili geçirgenlik halkaların indüktansından dolayı ve kapasitansından dolayı açık halka boşluklarında hızlandırılmıştır. Bu terahertz deneyinde frekans yönlendiricisi yerine elipsometri uygulanmıştır. Bir diğer şekilde söylecek olursak, boş uzaydaki ışık kaynağı kutuplanmış radyasyon ışınını örnek maddeye yansıtmaktadır.(Daha fazla ayrıntı için yandaki şemaya bakınız.) Soğurulan kutuplaşma planlanmıştı ve kutuplaşma açısı biliniyordu. Kutuplaşma değişimi örnek maddeye yansıtılması daha sonra ölçülmüştür. Faz farkından kaynaklanan herhangi bir farklılık vardır ve kutuplaşma düşünülmüştür.
Hücre malzemesinin bölgesel manyetik alanları mıknatıssal tepki olarak bilinmektedir. Aşağıda rezonansın bölgesel manyetik alanda arttığı gösterilmiştir. Bu mıknatıssal tepki elektriksel alanla birlikte aynı fazla bulunmaktadır. SRR hücrelerindeki gerçekte manyetik olmayan malzemelerden dolayı, bu bölgesel mıknatıssal tepki geçicidir ve manyetik özelliklerini sürdürmeye devam edecektir ama dışarıda etkiyen bir manyetik alan olduğu sürece bunu söyleyebiliriz. Bu yüzden uygulanan alan uzaklaştırıldıktan sonra toplam manyetizasyon sıfıra düşmüştür. Buna ek olarak, bölgesel mıknatıssal etki gerçekte toplam manyetik alanın küçük bir parçasıdır. Bu küçük parça alan büyüklüğü ile doğru orantılıdır ve bu doğrusal bağımlılığı açıklamaktadır. Buna benzer olarak, tüm malzeme üzerinde kümeleşmiş bir doğrusal karşılık vardır. Bu bir kopyasıdır ve atomik seviyede dönmektedir.
Daha fazla bilgi için paramanyetizma ve yarım halka yankılayıcısı başlıklarını inceleyebilirsiniz.
Artan frekansla beraber rezonansa zamana bağlı olarak yaklaşarak indüklenmiş akımlar ilmeklenmiş kablo içinde uygulanan alanı daha fazla koruyamazlar ve bölgesel karşılık zamanla gecikmektedir. Daha sonra frekans ileriye doğru arttıkça indüklenen bölgesel alan bu gecikmeye çıkış alanına kadar olan fazın tamamını dışarı atana kadar bir karşılık vermektedir. Bu sonuçlar manyetik geçirgenliğin bir sonuçlarıdır ve bütünlüğün altına düşmektedir. Ayrıca, sıfırdan küçük olan değerleri de içine almaktadır. İndüklenmiş bölgesel alanla dalgalanan uygulamalı alan arasında oluşan doğrusal eşleşmede ferromanyetizmanın linear olmayan özellikleri arasında bir uyumsuzluk söz konusudur.
Daha sonra, bu malzemeler içinde oluşan mıknatıssal etki 100 terahertz'de başarıyla gerçekleştirilmiştir ve aynı olay infrared bölge için de geçerlidir. Daha sonra kırılma endeksini kontrol etme amaçlı mıknatıssal etkinin önemli bir adım olduğunu tahmin edebiliriz. Sonuç olarak, kırılmanın negatif endeksi 200 terahertz bölgesinde katman eşlemeli metalik paralel nano çubuklar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu olay aynı zamanda terahertz bölgelerinde yüzey plazmonları kullanaraktan da tamamlanmıştır.
Buna ek olarak bu iş dışarıdan kontroller dahilinde devam etmektedir. Bu kontrollere örnek olarak elektronik anahtarlar, emisyon ve yansıtma özelliklerini kontrol etmek için kullanılan yarıiletken yapılardır.
Yeniden düzenlenebilen terahertz metamalzemeleri
Elektromanyetik metamalzemeler Terahertz boşluğunu (0.1-10 THz) dolduracağına dair vaadini göstermişti. Terahertz boşluğu iki genel nedenden doalyı oluşmaktadır. İlk olarak, birçok doğal olmayan malzemeler terahertz frekans kaynaklarını kolaylaştıran uygulamalar için oluşmuşlardır. İkincisi ise EM metamalzemelerini mikdalga ve optiksel bölge ile birlikte terahertz bölgesine taşımak için yeterli güce sahip değillerdi.
Buna ek olarak, araştırmanın çoğunluğu metamalzeme elementlerinde de olduğu gibi tanımlama yöntemi sayesinde, kaynağın boyutu ve şekli ile ilgili metal filmler, boşluk geometrisi, periyodiklik gibi yapay periyoda sahip pasif özelliklerin Terahertz taşımasına odaklanışlardı. Metal deliği sırası üzerinde bulunan dielektrik katman tarafından rezonansın da etkilendiği gözlemlenmiştir. Ayrıca, yarıiletken maddeyi doping ederekte iki rezonans frekansının önemli derecede arttırıldığı gözlemlenmiştir. Buna rağmen, çalışmanın çok küçük bir bölümü olağandışı optiksel emisyonun aktif olarak engellenmesi üzerine odaklanmıştır. Ayrıca bu küçük çalışma birçok uygulamayı gerçekleştirmek adına gerekli bir adımdır.
Bu gereksinimi karşılamak için, aktif metamalzemeler için önceden önlemler alınarak elektro manyetik radyasyonun bileşenlerinin dağıtımı ve yansıtması için gerekli kontrolleri sağlayan öneriler sunmuştur. Lazer ışığını aydınlatmayı da içine alan madde için hazırlanmış stratejiler, akımın az olduğu yerlerde statik manyetik alanın çokluğundan söz edilebilir ve polarlama gerilimi üreticisi de bulunmaktadır. (yarıiletken kontrolcüsü). Bu metodlar yüksek hassasiyetli spektroskopilerde birçok imkana öncülük etmişlerdir. Yüksek güçlü terahertz bölgesi, kısa menzilli güvenlik amaçlı Terahertz iletişimi ve daha çok hassas dedektör bile terahertz alanında sunulan imkanlardandır. Buna ek olarak, hassas terahertz dedektörü ve etkili kontrollü terahertz dalga engelleyicisi geliştirilen teknikler arasındadırlar.
MEM teknolojisinin çalıştırılması
Metamalzeme elementlerini kombine ederek - özellikle, yarım halka rezonatörlerini- mikroelektromanyetik sistem teknolojisi ile birlikte - düzlemsel olmayan esnek kompozitlerin üretimini sağlamıştır ve mikromekanik aktif yapıların elektromagnetik rezonant element düzenlerinin ölçülü olarak olay yerinde kontrolünü sağlamaktadırlar.
THz frekansında elektrik ve manyetik metamalzemelerin karşılanması
Teori, simülasyon ve metamalzeme parametrelerinde dinamik karşığın yarım halka rezonatörleriyle birlikte ilk olarak düzlemsel olarak sıraya konulduğu gözlemlenmiştir. (SRR)
Terahertz metamalzemeleriyle ilgili araştırma
Terahertz metamalzemeleri orijinal cihazların üretimiyle ilgili çalışmaları mümkün kılmaktadır.
Terahertz frekanslarındaki radyasyon, yüksek frekanslı elektromanyetik radyasyona göre (örneğin: X-ışınları) çok daha az enerji enerjiye sahiptir. Terahertz dalgaları enerjisi çok düşük atomlardan elektronları geçmek için, yani iyonize malzeme potansiyeline sahiptir. Bu nedenle de canlı dokuya zarar vermez. Elektromanyetik radyasyon görüntüler elde etmek için kullanılabilir. Bunun en tipik örneği X-ışınlarıdır. Görüntünün detay seviyesi elektromanyetik dalganın, dalga boyuna bağlıdır. Dalga ne kadar küçük dalga boyuna sahip olursa görüntüleme o kadar iyi olur. Terahertz dalgalarının gücü belki X-ışınları veya görünür ışık kadar iyi olmayabilir fakat mikrodalga ve radyo dalgalarından daha iyi sonuç verdikleri ispatlanmıştır. Ayrıca hava alanlarında, insanları taramak için birçok yerde kullanılır. Milimetre ve Terahertz metamalzemeleri konularında öncelikli hedefleri doğrultusunda ihtiyaç duyulan teorik, benzetim ve ölçüm çalışmalarını yürütecek bilgi ve kabiliyeti bünyesinde barındırma, malzeme karakterizasyonu, araştırma, ölçüm ve danışmanlık hizmetlerinde bulunma, mmW ve THz bölgesinde görüntüleme faaliyetlerini ve projelerini gerçekleştirme, radar kesit alanı faaliyetlerini yürütme, mmW ve THz frekanslarında pasif (anten, dalga kılavuzu, güç bölücü, kuplör, ...) ve aktif devre elemanlarının tasarım, cihaz ve sistem gerçekleştirme ve ölçümlerini yapma, gıda kalitesi ve güvenliğine ilişkin spektroskopik yöntemlerin geliştirilmesine yönelik faaliyetleri gerçekleştirme, medikal görüntüleme tekniklerini araştırma geliştirme ve gerçekleştirme faaliyetlerinde bulunma konularında çalışmalar yapmaktadır.
Terahertz dalga boylarında ihtiyaç duyulan küçük boyutlu, yüksek güçlü, frekansı ayarlanabilir, koherent, sürekli ışıma yapan bir kaynağa İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü ile Argonne Ulusal Laboratuvarının çözüm önerisi katmanlı süperiletkenlerdir. Tek kristal Bi2Sr2CaCu2O8 (Bi2212) yüksek sıcaklık süperiletkeni c-ekseni boyunca sıralanmış üstüniletken CuO2 katmanları ile yalıtkan Bi-O ve Sr-O katmanlarından oluşur. Bu doğal katmanlı yapı, c-ekseni boyunca tünel eklemler oluşturur ve özgün Josephson eklemleri olarak isimlendirilir. AC Josephson olayı kullanılarak bu tünel eklem dizilerinin terahertz dalga boyunda ışıması uzun yıllardır teorik olarak araştırılmış ama koherent ve şiddetli bir ışıma elde edilememiştir. On yılı aşkın süredir elektron ve cooper çifti tünellemeleri üzerine çalışmamız ve tünel eklemlerdeki ısınma olaylarındaki bilgi birikimimiz neticesinde yeni bir tasarım yapılarak terahertz ışıma gözlenmesi planlanmıştır. Lazer kavitesine benzeşim yapıldığında, süperiletken dikdörtgen prizması şeklindeki örnek içinde, elektromanyetik kavite rezonansının uyarılması bir makroskopik kuantum durumu oluşturur ki, çok sayıdaki tünel eklem senkronize olarak aynı fazda THz frekansında titreşmeye başlar. Bu prensip doğrultusunda Bi2212 tek kristalleri üzerine fotolitografi ve iyon demeti aşındırma yöntemleri ile çeşitli boyutlarda mesa yapılar şeklinde hazırlanarak, düşük sıcaklıklarda akım-gerilim ve bolometreden gerilime bağlı olarak terahertz ışımaları incelenmiştir.
Çoğu molekülün rotasyon frekansları mikrodalga bölgesine denk gelirken, daha küçük ve kütlesi daha az olan moleküllerin rotasyon frekansları THz bölgesindedir. Ek olarak büyük moleküllerin titreşimsel modlarının ve birçok biyolojik molekülün rezonans frekansları THz bölgesi kapsamındadır. Maddelerin parmak izi diyebileceğimiz bu özgün özellikleri THz sistemleri aracılığıyla belirlenebilmektedir. Dolayısıyla maddelerin ne olduğu, THz frekanslarında geçirgen malzemelerin arkasında olsalar dahi ayırt edilebilmektedir. Bu kritik özellik sayesinde THz teknolojileri savunma ve güvenlik sektörleri için sınırsız seçenek oluşturmaktadır. Geliştirilen sistemler sayesinde, biyolojik savaş maddelerinin, gizli silah ve patlayıcı maddelerin tespiti mümkün olacaktır.
Biyoloji alanında da THz uygulamaları değer kazanmaktadır. THz frekanslarında üretilen tıbbi görüntüleme cihazlarının, sağlık sektöründe önemli bir yere sahip olması beklenmektedir. THz ile deri kanseri teşhisi çalışmalarından alınan olumlu sonuçlar bunun için güzel bir örnektir. Ayrıca beyin tomografisi ve diş sağlığı üzerine de THz bölgesinde çalışmalar yürütülmektedir. Geleneksel olarak, sağlık sektöründe kullanılan diğer görüntüme sistemlerine kıyasla en önemli avantajı, insan vücuduna düşük foton enerjisi sayesinde hiçbir zararının olmamasıdır. Bu sayede THz görüntüleme sistemleri hamile ve çocuklarda dahi güvenle kullanılabilecektir.
Orijinal yükseltici tasarımı
Terahertz kompakt güç düzenleyicide yükseltici bulunmamaktadır. Bu yeterince kullanılmamış bölgelerde ve orijinal yükselticilerin direkt olarak bir nedene atfedilmesinden dolayıdır.
Çalışmalar; araştırma, üretme ve ışık ağırlığı, yavaş dalga vakumlu elekrtronik cihazların tasarımıyla dalga tüp yükselticisine dayandırılmaktadırlar. Katlanmış frekans yönlendiricisini, yavaş dalga akımını içeren tasarımlar, terahertz dalga dalga kıvrımlarını kavisli bir yol boyunca doğrusal elektronik ışınla birlikte etkileşim halindedirler. Kıvrımlı dalga yolunu tüplerinin tasarımı 670, 850 ve 1030 Ghz frekanslarında bulunmaktadırlar. Küçük boyutlardan ve yüksek güç azalmasında dolayı güç limitlerinde iyileştirmeler amaçlanmıştır, orijinal daire tasarımları da bu arada incelenmiştir.
NASA Glenn Araştırma merkezinde yapılan bir çalışmada metamalzeme mühendislik malzemelerinin eşsiz elektromanyetik özelliklerle terahertz yükselticilerinin gücünü ve etkinliğini arttırmak amacıyla iki tip elektronik vakım cihazı sinyal dalgasını yavaşlatmaktadır. İlk dalga kavisli dalga kılavuzuna yönü olmayan dielektriklerle ve delikli metamalzemelerle, yarı dalgaboylarından oluşan delik dizileriyle arttırmaktadır.
İkinci tip düz geometrik şekle sahip çember dolambaçlı yoldan transfer edilerek elektromanyetik dalgaları ve malzeme içine hapsedilmiş metamalzeme yapılarını taşımaktadır. Sayısal sonuçlar bu döngüyü daha fazla güvenilir kılmaktadır. İlk sonuçlar ise metamalzeme yapılarının elektriksel alan şiddetini madde içinde azaltmakta etkili olduğunu söylemektedirler ve o bölgedeki şiddeti kıvrımlı çizginin elektron ışınlarıyla etkileşim haline girdiği çizginin üstüne taşıdığını bildirmektedir. Buna ek olarak, düzlemsel çemberi üretmek daha kolaydır ve daha fazla döngü sağlamaktadır. Diğer geometri cisimleri imal etmek için daha fazla iş yükü gereklidir, elektrik alan/elektron ışıması etkişemini en uygun hale getirmek ve magnet geometrilerini levha ışımaları için tasarımına odaklanmak gerekmektedir.
Orijinal terahertz sensörleri ve faz düzenleyiciler
Radyasyonu terahertz bölgesinde kontrol etmenin mümkün yanları hassas cihazları ve faz düzenleyicileri analiz etmeye öncü olmuşlardır. Bu radyasyonu uygulayan cihazlar özel olarak bir kullanım alanına sahiptirler. Metamalzemelerin tonlamasının ayarlanması için farklı stratejiler analiz edilmiştir ve bunlar aynı zamanda sensörlerin de bir fonksiyonlarıdır. Buna benzer olarak, doğrusal faz değişimi kontrol cihazlarını kullanılarak başarılmıştır. Bu sensörler için zorluk anında riskleri bildirmesi gerekmektedir.