本发明专利技术公开了一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法，其中全电磁波诱导霍尔电压的装置包括衬底、磁涡旋共振腔阵列和叉指电极；磁涡旋共振腔阵列包括至少一个三明治结构状的二维阵列，且二维阵列包括从上至下依次相连的上金属层、高介电系数材料层和下金属层，下金属层与衬底相连；叉指电极设在衬底上，并与下金属层相连。本发明专利技术提供了一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法，全电磁波诱导霍尔电压的装置结构简单，适用于任意频率的电磁波，能利用高频的磁涡旋共振模式诱导产生直流霍尔电压，且可以设计灵活可调的二维或三维周期磁涡旋共振腔阵列；另外，采用该装置诱导霍尔电压时，不需要外加偏置磁场，操作简便。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及。
技术介绍
金属微纳结构特异介质(Metamaterial)中的磁共振具有十分重要的应用前景。近年来，人们利用这一结构实现了众多新颖的电磁特性，例如，负折射效应、超分辨率成像、增强透射、等离子体共振诱导透明等。在这一领域，金属微纳结构的磁共振模式一直是人们极度关心的一个主要方向。在自然界的磁材料中，对微波以上的频段所有磁材料的磁响应逐渐减弱，直到完全没有磁性。然而，利用金属微纳结构，人们可以将人工材料的磁响应延伸到太赫兹波以上，甚至红外、可见光频段。一般来说，这种磁响应金属微纳结构是开口环结构，或者双棒(双板)结构。考虑到这种结构可以远小于入射波长，因此人们也称其为“人工磁原子”。从物理机制上看，就是入射电磁波的磁偏振在该结构中诱导出环形电流，在共振的情况下，将获得该材料的高频磁响应。自从科技人员提出这种高频磁响应人工结构以来，人们发现了几个相邻的人工磁原子之间还存在杂化效应(Hybridization effect)。基于杂化效应，人们设计专利技术了“人工磁分子”的各种器件，可以实现入射光的偏振控制。2010年，《Science》期刊发表了 Zheludev教授课题组的一篇论文，首次探讨了金属微结构磁共振材料中的一种新颖的磁共振模式，即所谓的磁润旋共振(Toroidal resonance)。这种磁润旋共振,在物理上对应一类特殊的涡旋极矩(Toroidalmoment)。这种涡旋偶极矩与电偶极矩共振、磁偶极矩共振相对应，属于电磁散射多极展开式中的第三类极矩，由于其相关的效应非常微弱，长期以来一般被人们所忽略。不过在原子、分子、基本粒子等基础研究中越来越受到科学家的高度关注，具有极其重要的物理意义(涡旋极矩的空间、时间反演对称性同时破缺，而电偶极矩仅是空间反演对称性破缺，磁偶极矩仅是时间反演对称性破缺)。最近，人们在多铁材料中也观察到了这种磁涡旋的磁畴结构，并研究了其相关的磁电特性，但是在多铁材料中该磁涡旋畴相关的效应同样比较微弱。根据Zheludev教授组的工作，考虑到在金属微纳结构特异介质中可以实现涡旋极矩(即磁涡旋共振)的局域共振增强，从而有望在凝聚态物质的一个新的材料范畴内研究该特殊的润旋极矩的各种光学特性。例如，非互易(Nonreciprocal)的光学传输、增强的非线性光学效应、二向色性(Dichroism)等。然而，截止目前，在金属微纳结构中实现磁涡旋共振的人工结构设计屈指可数，并且具有明显的缺陷，且磁涡旋共振结构一般比较复杂，仅适合用于直流或低频器件，对高频的电磁波不起作用，故理论上预言的各种新颖光学功能器件，在金属微纳结构磁涡旋特异介质中得到验证的特性也是寥寥无几。另外，在现有技术中霍尔效应一般都是针对直流电流的，并且需要外加偏置磁场。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术中诱导霍尔电压装置的结构比较复杂，需要外加偏置磁场，且仅适合用于直流或低频器件，对高频的电磁波不起作用等上述缺陷，提供，其中，所述全电磁波诱导霍尔电压的装置结构简单，适用于任意频率的电磁波，能利用高频的磁涡旋共振模式诱导产生直流霍尔电压，且可以设计灵活可调的二维或三维周期磁涡旋共振腔阵列；另外，采用所述诱导霍尔电压的方法诱导霍尔电压时，不需要外加偏置磁场，操作简便。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:一种全电磁波诱导霍尔电压的装置，包括衬底、磁涡旋共振腔阵列和叉指电极；磁涡旋共振腔阵列包括至少一个三明治结构状的二维阵列，且二维阵列包括从上至下依次相连的上金属层、高介电系数材料层和下金属层，下金属层与衬底相连；叉指电极设在衬底上，并与下金属层相连。在本专利技术所述技术方案中，所述全电磁波诱导霍尔电压的装置包括衬底、磁涡旋共振腔阵列和叉指电极，而磁涡旋共振腔阵列包括多个呈三明治结构状的二维阵列，且该二维阵列包括从上至下依次相连的上金属层、高介电系数材料层和下金属层；其中，一个二维阵列的下金属层与衬底相连，叉指电极又设在衬底上，且与二维阵列的下金属层相连，故所述全电磁波诱导霍尔电压的装置结构简单。在本专利技术所述技术方案中，所述构成磁涡旋共振腔阵列的二维阵列包括三层结构，即上金属层、高介电系数材料层和下金属层，这三层构成三明治结构状。在电磁波入射的条件下，只要其电场偏振具有垂直于金属层的分量，就可以在与结构尺寸相对应的某个共振频率下激发出磁涡旋共振模式。产生磁涡旋共振时，该共振模式经多极分解后的散射强度以涡旋偶极矩成分为主，其他的电偶极、磁偶极成分可以忽略，这就证明了本专利技术所述技术方案中的磁涡旋共振腔阵列可以实现一种新颖的具有第三类极矩的共振模式，即磁涡旋共振。根据多铁材料体系的相关理论和实验研究，在多铁材料上加上一个静磁场 ,使得Tl if，则在与T及H,相互垂直的方向上会出现电极化？,即Ικ χ 。与多铁系统中的这种磁电效应类似，在本专利技术所述的磁涡旋共振阵列结构中，其所具有的动态交变涡旋极矩在入射电磁波的作用下，也可以实现相似的“磁电效应”。与现有技术相比，本专利技术所述全电磁波诱导霍尔电压的装置不需要外加磁场，当磁涡旋共振腔的尺寸远小于入射电磁波的波长时，入射电磁波的磁场分量在准静态近似的条件下可以等效地起到均匀“外加磁场”的作用，然后再利用该磁涡旋共振阵`列的集体增强效果，可以从叉指电极上获得较大的霍尔电压信号。故本专利技术所述全电磁波诱导霍尔电压的装置适用于任意频率的电磁波，且能利用高频的磁涡旋共振模式诱导产生直流霍尔电压。在本专利技术所述技术方案中，所述二维阵列的高介电系数材料层的厚度及折射率、上金属层和下金属层的半径及厚度决定了磁涡旋共振频率，故所述磁涡旋共振腔阵列的共振频率具有连续可调的特点，可以将任意频率的电磁波转化为直流的霍尔电压。在本专利技术所述技术方案中，所述磁涡旋共振腔阵列包括至少一个三明治结构状的二维阵列，即多个二维阵列可以叠加，又因为该三明治结构状的二维阵列的磁涡旋共振模式是非辐射性的，相邻磁涡旋共振腔之间不会产生明显的相互作用，这样就可以设计灵活可调的二维或三维周期磁涡旋共振腔阵列，获得多个磁涡旋共振腔霍尔电压的集体增强效应。在本专利技术所述技术方案中，所述叉指电极设在衬底上，布线宜细且靠近磁涡旋共振腔的两端，并与下金属层相连，便于引出磁涡旋共振腔阵列的集体霍尔电压信号。作为对本专利技术所述技术方案的一种改进，在磁涡旋共振腔阵列中，多个二维阵列逐层叠加。上一个二维阵列的下金属层和下一个二维阵列的上金属层相连，组成三维磁涡旋共振腔阵列。作为对本专利技术所述技术方案的一种改进，叉指电极包括交错排列的正极指部和负极指部。作为对本专利技术所述技术方案的一种改进，高介电系数材料层为半导体层。在本专利技术中，可以采用硅、锗等半导体材料作为高介电系数材料层，只要其在磁涡旋共振模式的响应频率下具有高的介电系数即可，最好其本身对入射电磁波没有明显的吸收。一种利用上述全电磁波诱导霍尔电压的装置诱导霍尔电压的方法，包括以下步骤:步骤一:利用偏振片将入射电磁波转变为偏振电磁波，且入射电磁波的频率与磁涡旋共振腔阵列的响应频率相等；步骤二:将经过步骤一获得的偏振电磁波沿磁涡旋共振腔阵列的侧面入射到上述全电磁波诱导霍尔电压的装置上，并使其偏振方向与上金属层所在的平面不平行，即会产生霍尔电压。在本专利技术所述技术方案中，首本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种全电磁波诱导霍尔电压的装置，其特征在于，包括衬底（1）、磁涡旋共振腔阵列和叉指电极（3）；所述磁涡旋共振腔阵列包括至少一个三明治结构状的二维阵列（2），且所述二维阵列（2）包括从上至下依次相连的上金属层（4）、高介电系数材料层（5）和下金属层（6），所述下金属层（6）与衬底（1）相连；所述叉指电极（3）设在衬底（1）上，并与下金属层（6）相连。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：董正高，雷双瑛，李家奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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