فعاليت نوري متامواد غيركايرال مسطحچهارشنبه 6 شهریور 1387 / 27 آگوست 2008 ... پدیده 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.
پديده ي فعاليت نوري كه قابليت چرخيدن وضعيت قطبيدگي نورميباشد، يك اثر بنيادي الكتروديناميك است كه به طور مرسوم به عدم تقارن آينه اي (خصلت كايرالي) مولكولهاي آلي، پروتئين ها و ساختارهاي معدني مربوط ميشود.
اين اثر اهميت زيادي براي شيمي تجزيه، بلورشناسي، بيولوژي مولكولي و صنعت غذايي دارد و هم چنين اثري مشخص است كه براي رديابي و يافتن اشكال زندگي در ماموريتهاي فضايي به كار ميرود.
شناسايي خصلت كايرالي به عنوان يك انكسار منفي نور منبع (منشا) كه براي ايجاد يك لنز كامل مورد نياز است كاري جدي و پشتكارانه را در گسترش مايكروويو و متا مواد كايرال نوري مصنوعي (به ما) القا كرد.
در اين مقاله ما نتايج تاحدي شگفت انگيزي را نشان مي دهيم (و آن اينكه) ممكن است فعاليتهاي خيلي قوي نوري در يك سيستم متامواد متشكل از متامولكولها ديده شوند كه به خودي خود كايرال نيستند.
اينجا كايراليته از جهت متقابل مسير انتشار موج و متا مواد دو بعدي كشيده شده است .
ما مفهوم فعاليت نوري با استفاده از يك ساختار متامواد مسطح غير كايرال كه به روش مصنوعي ايجاد شده را شرح مي دهيم و نشان مي دهيم كه اين فعاليت نوري به طور غير قابل تشخيصي ازآنچه كه براي سيستمهاي مولكولي سه بعدي كايرال آشكار كننده ي شكست مضاعف تشديد شده و دورنگي براي امواج الكترومغناطيسي به طور مدور قطبيده ديده شده، رفتار مي كند. فعاليت نوري تشديد شده ي قوي مشاهده شده كه با ظهور يك موج معكوس، كه ويژگي واسطه ي منفي شاخص است همراه شده است.
فعاليت نوري براي اولين بار در 1811 توسط دومينيكو اراگو (Arago(Dominique ديده شد و از آن زمان به بعد، به وسيله ي (از طريق) كوششهاي چندين نسل از محققان به مولكولهاي كاملا سه بعدي شناخته شده بعنوان داراي خصلت كايرالي پيوند خورد؛ كايراليته يك ساختار مولكولي مانند يك مارپيچ است كه براي آن تصاوير آينه اي نامتجانس داراي عدم تقارن كافي براي نشان دادن چرخش قطبيدگي (فعاليت نوري) ميباشند.
اثر فعاليت نوري با پديده ي دورنگي دايره اي براي نمونه جذب تفكيكي براي قطبيدگي
دايره اي چپ و راست، پيوند دارد .
تلاش اخير در ايجاد مصنوعي متا مواد فعال نوري كه براي دست يافتن به فعاليت نوري قوي، مورد نظر واقع شده است، بر روي انواع مختلف آرايه هاي كايرال سه بعدي متا مولكولها متمركز شد.
عمدتا كمتر تاييد شده است كه زماني فعاليت نوري مي تواند ديده شود كه
مولكولهاي غير كايرال جهت دار يك كايرال سه تايي در جهت بردار موجي نور مي سازند.
اين شيوه فعاليت نوري اولين بار توسط Bunn توضيح داده شد و دركريستالهاي مايع مورد رديابي قرار گرفت.
شكل 1 : متامواد شكافدار مسطح مبني بر آرايه اي از حلقه هاي شكاف بدون تقارن كه فعاليت نوري و دورنگي دايره اي در تابش مايل نور را نشان مي دهد. جهت عدم تقارن با يك بردار قطبي s نمايش داده شده است (از كمان بلند به كمان كوتاه جهت دارد). فعاليت نوري زماني ديده مي شود كه صفحه ي متامواد پيرامون محور x منحرف شده است. بنابراين نمونه ي معمول n در زاويه اي α≠0 با بردار موج موج فرودي k قرار دارد. وضعيت I و II دو ترتيب انانتيومتري هستند كه فعاليت نوري علامتهاي مخالف را نشان مي دهند. وضعيت III متناظر با تابش معمولي هيچ فعاليت نوري را نشان نمي دهد.
اينجا ما نشان مي دهيم كه اين يك شيوه پر اهميت فعاليت نوري در متا موادي است كه
مي توانند بعنوان ساختارهاي ذاتا مسطح كه نه خصلت كايرالي دو بعدي دارند نه خصلت كايرالي سه بعدي و براي ساختن نسبت به متا مواد مبني بر آرايه هاي متامولكولي كايرال سه بعدي ساده تر هستند، ديده شوند.
ما بحث كرديم كه براي نشان دادن فعاليت نوري، متا مولكولهاي يك ساختار متامواد مسطح مي توانند يك خط تقارن آينه اي داشته باشند، اما بايستي فاقد يك مركز وارونه سازي باشند. آنها بايد يك جهت قطبي s (همانطور كه در شكل 1 نشان داده شده است) داشته باشند.
شكل 2 : يك قطعه از متامواد شكافدار مسطح ساختگي درفيلم ضخيم آلومينيوم عكسبرداري شده در برابر يك زمينه ي نور. برش سايه روشن مربع ساختمان اصلي بلوك دوبعدي متناوب ساختار متامواد را نشان مي دهد. نوار در قسمت پايين عكس طول موج λ تابش در قطبش تشديد شده اي كه مشاهده شده بود را نشان مي دهد.
يك آرايه ي منظم جهت دار از چنين متامولكولهايي هيچ فعاليت نوري را در انتشار معمولي نشان نخواهند داد. با اين حال، متا مواد در انتشار مورب به طور نوري در صورتي فعال خواهند شد كه سطح انتشار داراي جهت قطبي نباشد. در واقع، در اين بحث بردار موجي k بر صفحه ي n عمود است. و بردار قطبي s يك مجموعه كايرال سه بعدي را تشكيل مي دهد.
شكلهاي انانتيومر اين بردارها با فعاليت نوري علامتهاي مخالف كه با كج كردن صفحه ي ساختار در جهت هاي وارونه نسبت به بردارموج فرودي ايجاد شده اند، مطابقت دارد.
(I و II در شكل 1 را مقايسه كنيد).
ما فعاليت نوري را در يك ورق نازك فلزي قائم مشبك با يك آرايش منظم دو بعدي از حلقه هاي شكاف دار مشاهده كرديم (شكل 2).
حلقه هاي شكاف به طور غير متقارن به جفت كمانها با طول متفاوت جداشده با درزهاي هم اندازه، شكافته شده اند. هر حلقه ي شكاف يك خط از تقارن آينه اي در طول محور x دارد اما هيچ محور دو تايي چرخشي ندارد اين مورد ما را قادر ميكند تا يك بردار قطبي sرا نشان دهيم كه در نمونه ما به سوي كمان كوتاهتر نشانه رفته است (شكل 1 را ببينيد).
محمدوده ي اثر در چنين ساختار مسطح غير كايرالي ممكن است با در نظر گرفتن يك"سلول واحد" كه شامل يك بخش از صفحه ي فلزي منحرف شده با يك تك چاك حلقه ي شكاف است به آساني ديده شود (شكل 1).
با استفاده از مجموعه اصطلاحات مبحث بلور شناسي، اگر جهت انتشار نور با چندين موقعيت مواجه شود يك "جهت پيچي " از سلول واحد خواهد بود
(يعني جهت پيچيدن خواهد داشت).
اول، خود سلول واحد نبايستي داراي مركز وارونه سازي داشته باشد كه اين بوسيله ي عدم تقارن حلقه هاي شكافدار تضمين شده است.
دوم، آنجا نبايد هيچ انعكاس قرينه در صفحه ي عمود بر جهت انتشار موجود باشد كه توسط برخورد تابش مورب فراهم شده باشد.
سوم ، آنجا نبايد هيچ وارونه سازي يا محور چرخش بازتابي در امتداد جهت انتشار باشد كه اين توسط برخورد مورب و شكاف نامتقارن فراهم شده است.
و در پايان آنجا نبايد هيچ انعكاس قرينه اي براي هر سطح شامل جهت انتشار باشد. اين شرط فقط اگر شكاف عمودي نباشد و بنابراين بردار s موازي با صفحه ي برخورد yz نباشد تحقق يافته است .
بنابراين با مراجعه به شكل 1 در وضعيت I و II جهت انتشار نور يك جهت پيچش است و فعاليت نوري را حمايت مي كند. در مقابل حالت III، برخورد معمولي براي دومين، سومين و چهارمين حالت آزمون "جهت پيچش" شكست مي خورد. براي نمونه در برخورد معمولي اينجا يك صفحه ي انعكاس قرينه داراي جهت انتشار وجود دارد .
در آزمايشات ما تلفات و دوره هاي تاخير براي امواج الكترومغناطيسي به طور مدور قطبيده منتشر شده در ميان متامواد را اندازه گيري كرديم (شكل 2 را ببينيد). ساختار شكاف شماري از ويژگي هاي مرموز و مفيد را دارد.
ذاتا وجود ورقه ي فلزي مشبك براي تابش الكترومغناطيس مجزا از يك محدوده طيفي باريك حدود فركانس تشديد شفاف نيست كه در اين فركانس طول موج تقريبا دوبرابر طول شكافها است.
عمل پخش در تشديد به طور فوق العاده بالاست و به طور اساسي با كسري از ناحيه ي گرفته شده بوسيله ي برشها پيشي مي گيرد. چون تلفات ژول در فلزات در اين بسامدها ناچيز است، انرژي تابش بين تابش منعكس شده و ارسال شده تقسيم مي شود و در انعكاس تشديد اندك است.
نزديك بسامد تشديد و يك اكتاو بالاتر از آن، ساختار، تابش الكترومغناطيسي را نمي پراشد، بلكه تابش الكترومغناطيسي براي طول موجهاي كوتاهتر از گام آرايه پراشنده مي شود.
همانطور كه نشان داده خواهد شد پايين ساختار يك تشديد به شكل زنگ درآمده ي قوي دوشكستي دايره وار را نشان مي دهد كه منجر به يك چرخش قطبيدگي قوي مي شود، در حاليكه دورنگي مدور در پايين ترين نقطه در تشديد است.
اين ويژگي خيلي مفيد درمقايسه اي قابل توجه با فعاليت نوري در اغلب سيستمهاي مولكولي است جايي كه به طور مشخص چرخش قطبيدگي تشديد قوي توسط دورنگي مدورذاتي منتج شده با قطبيدگي بيضوي، همراه شده است.
به علاوه درتشديد فعاليت نوري، سيستم دوشكستي غير خطي (غير منظم) را نشان
مي دهد و بنابراين حالات انرژي دو قطبش مدور با اتلافهاي ملايم يك نوع هستند كه ايجاد يك چنين ساختاري يك نقشه ي ايده آل براي مشاهده ي يك ضريب انكسار منفي براي قطبشهاي دايره اي است.
شكل 3 : (a) دورنگي دايره اي Δ و (b) دوشكستي دايره اي δΦ ساختار متامواد مسطح اندازه گيري شده در وضعيتهاي انتشار I ،II (زاويه تمايل α=±30°) و III (α=0°) نشان داده شده در شكل 1
اگر ساختار بعنوان يك "جعبه سياه" در نظر گرفته شود، اندازه گيري اتلافها و مرحله هاي تاخير براي امواج الكترومغناطيسي به طور دايره وار قطبيده شده ، اطلاعات درباره ي دورنگي مدور و فعاليت نوري متوسط در "جعبه سياه" را تامين مي كند.
در اصطلاحات كاربردي ما ماتريس تركيب انتقال tij براي امواج به طور دايره وار قطبيده شده را اندازه گيري كرديم . اينجا زيرنويسهاي + و – به طور مشابه چپ و راست امواج به طور دايره وار قطبيده شده را مشخص مي كنند. اندازه گيري هاي ما نشان مي دهد كه عناصر قطري (t ++وt - - ) معمولا نشان دهنده ي اين نيستند كه ساختار واقعا فعال نوري است.
تفاوت بين مقادير عناصر قطريΔ= |t++|2- |t--|2 يك اندازه از دورنگي مدور "جعبه سياه" است در حاليكه در مقابل اختلاف فاز يك اندازه از دو شكستي مدور خودش است. (δφ=arg(t++)-arg(t--)) (شكل 3 را ببينيد.)
عناصر غير قطري ماتريس در حدود دقت آزمايشي برابرند كه حضور مورد انتظار مقداري ناهمساني در ساختار را نمايان مي كند، اما يك فقدان كامل اثرات عدم تقارن انتقالي اخيرا كشف شده در ساختارهاي كايرال مسطح را نيز نشان مي دهد. در تمام موارد آزمايش انجام شده در جهتهاي متضاد انتشار موج نتايج يكساني نشان مي دهد.
ويژگي هاي مشخصه اي زير از مفهوم در آزمايش مشاهده شده بود:
i ) هيچ دوشكستي مدور يا دورنگي در انتشار معمولي براي آرايه ي متا مواد ديده نشده است (α=0)
ii) معادله ي برخورد درجهت هاي مخالف، دورنگي مدور و دوشكستي مدور در علامت مخالف را ثمر مي دهد.
اثر مشاهده شده يك تشديدكننده ي طبيعي دارد كه پيرامون تشديد بين 9 گيگاهرتز و 10 گيگاهرتز در جايي كه ميانگين قوس طول مطابق با تقريبا نصف طول موج است، قويترين است.
شكل 4: پاسخهاي الكتريكي و مغناطيسي در يك سيم حلقه ي شكافدار غير متقارن .جريانهاي نوساني در حلقه ي شكافدار a ) مي تواند به عنوان مجموع تقارني معرفي شود b ) و پاد تقارني c ) جريانهايي كه با دوقطبي الكتريكي القا شده در صفحه ي حلقه ي d (پيكان سبز رنگ) و دوقطبي مغناطيسي عمود بر صفحه ي m (پيكان قرمز رنگ) مرتبط است. براي حلقه هاي شكافدار غيرمتقارن منحرف شده، اگر تصوير d وm بر صفحه ي عمود بر بردار k (به طور متناظر با پيكانهاي سبز و قرمز نقطه چين شده ) قائم باشند چرخش قطبيدگي تنها وجود ندارد (d) اگر هردوي اين تصوير ها موازي باشند (e) يا غير موازي باشند (f) قويترين چرخش قطبيدگي جايي رخ مي دهد كه فعاليت نوري براي نمونه هاي (e) و (f) علامتهاي مخالف دارد .
علت ميكروسكوپي فعاليت نوري متا مواد شكافدار مي تواند با مطرح كردن يك ساختار مكمل كه آرايه اي از شكافها نيست بلكه آرايه اي از سيمهاي فلزي در شكل حلقه هاي شكافدار است به راحتي فهميده شود (شكل4 را ببينيد). مانند فعاليت نوري مرسوم نمايش داده شده بوسيله ي مولكولهاي كايرال، اثر بايد درحضور هر دو پاسخ الكتريكي و مغناطيسي نتيجه شود.اينجا، عدم تقارن ساختاري حلقه هاي شكاف دار نقشي كليدي ايفا مي كنند : همانطور كه در شكل 4(a) نشان داده شده يك موج قطبيده در امتداد شكاف جريانهاي نوساني نابرابر در بالا و پايين قوسهاي حلقه را تحريك مي كند كه اين ممكن است بعنوان يك جمع جريانهاي متقارن و نامتقارن نشان داده شود كه مطابق است با تحريك الكتريك دو قطبي در سطح حلقه و دوقطبي مغناطيس عمود بر حلقه (شكلهاي(c) و4(b) را ببينيد) .
اكنون ما بايد انتشار غير معمول موج بر ساختار را بررسي كنيم (شكلهاي4(d)-4(f) را ببينيد).
اينجا پيكانهاي آبي، قرمز و سبز، بردار موج k و مغناطيس تحريك شده m و الكتريك d دو قطبي هاي واحد سلول متامواد را نمايش مي دهند، در حاليكه پيكانهاي خط چين تصوير متناظر دوقطبي گشتاورهاي به طرف صفحه عمود بر بردار موج را نشان مي دهند.
دوقطبي مغناطيسي هميشه در جهت عمود بر صفحه ي ساختار است و چنانكه ما در بالا ديديم دو قطبي مغناطيسي با جابجايي ميدان الكتريكي در امتداد شكاف برانگيخته ميشود. اگر شكاف بر صفحه ي انتشارعمود نباشد ساختار فعاليت نوري را نشان مي دهد.
بيشترين فعاليت نوري زماني مشاهده شده كه شكاف موازي صفحه ي انتشار است،
در اين نمونه، بردار موج و دوقطبي هاي تحريك شده ي الكتريكي و مغناطيسي هم صفحه هستند. اختلاف فاز دو طرفه بين پاسخهاي الكتريكي و مغناطيسي و بنابراين علامت فعاليت نوري به علامت شيب بستگي دارد (تصوير دوقطبي هاي الكتريكي و مغناطيسي در شكلهاي 4(e)و4(f) مقايسه كنيد). به طور مشابه با آنچه كه در واسطه كايرال مرسوم اتفاق مي افتد، زماني كه بردار موج و دوقطبي هاي الكتريكي ومغناطيسي تحريك شده "متامولكول" هم صفحه هستند دو قطبي نوساني، امواج الكترومغناطيسي پراكنده با قطبيدگي هاي عمودي در جهت انتشار موج ايجاد مي كند و بنابراين قطبيدگي موج منتقل شده مي چرخد.
در مقابل، اگر شكاف عمود بر صفحه ي انتشار باشد دو قطبي هاي الكتريكي و مغناطيسي تحريك شده به خوبي تصويرشان عمودي هستند و ساختار هيچ فعاليت نوري نشان
نمي دهد (شكل4(d) را ببينيد ): دو قطبي هاي الكتريكي و مغناطيسي نوسان كننده، امواج الكترومغناطيسي از قطبش مشابه را منتشر مي كنند كه در امتداد جهت موج فرودي پخش مي شوند. مطابق قاعده بابينت ساختار شكافدار متامواد بحث شده در بالا، تشديدهاي قطبيدگي مشابه در همان باند بسامدي را نشان خواهند داد .
شكل 5 : (a) پراكندگي تاخير فاز Φ براي امواج قطبيده ي مدور منتقل شده ي چپ و راست . قسمتهاي سايه دار، حدود بسامد با حالت انرژي تقريبا دايره اي جايي كه سرعت فاز pν و گروه فاز gν براي قطبيدگي دايره اي راست علامتهاي مخالف دارند كه مشخصه اي براي واسطه ي دست چپ است را نشان مي دهد .(b) شدت منتقل شده ي هردو
امواج قطبيده ي مدور چپ و راست . (c) بازده تبديل مدور كه يك نشان مستقيم از نامتقارني (دوشكستي خطي) از پاسخ متامواد است. داده ها در تمام تابلوها با وضعيت انتشار I نشان داده شده در شكل 1 جايي كه زاويه ي انحراف برابرα=30° است، مرتبط هستند.
در متامواد شكافدار، در باندطيفي تشديد از حدود 9 تا 10 گيگاهرتز، ناهمساني كاملا
ناپديد مي شود (اينجا تبديل مدورt+-= t-+ = 1/2.(txx –tyy ) ناچيز است همانطور كه در شكل 5(c) نشان داده شده است).
حالات انرژي قطبش خيلي نزديك به دايره وارهستند و در جهت بردارk ، مواد بعنوان ايزوتروپ نوري متوسط فعال رفتار مي كنند. به علاوه، در دسته ي طيفي اتلاف نشان داده شده توسط |t++|2 و |t--|2 نسبتا كوچك هستند ( شكل 5(b) را ببينيد).
به طور مهم، اينجا فاز سرعت (νp ~ ω/φ جايي كه =2πƒω ) و سرعت دسته
(νg ~ dω/dφ) براي قطبيدگي دايره اي راست علامتهاي مخالف نشان دهنده ي ظاهر يك موج وارونه دارد ( شكل 5(a) را ببينيد).
و پاياني، مدرك رفتار دست چپ مواد و نشانه اي از انكسار منفي درجسم واسطه كايرال تشديد شده است. بر طبق" پيش بيني پندراي" انكسار منفي بايد در تشديد براي يكي از قطبيدگي هاي دايره اي تنها درمبادله با قطبيدگي دايره اي مخالف درتركيب انانتيومتري واسطه ديده شود. اين درست چيزي است كه ما در آزمايشات خود مشاهده كرديم :
علامتهاي مخالف گروه و سرعت فاز براي قطبيدگي دايره اي راست در30°= α و براي موج قطبيده چپ براي آرايش انانتيومتري در -30°=α ديده شده اند . اينجا قسمت واقعي ضريب انعكاس موثر مي تواند برآورد شود بعنوان n ≈ -|cφ/ωh| ≈ - 2.5جايي كه h پهناي ساختار در جهت انتشارش است.
در پايان ما تشديد قوي فعاليت نوري استفاده شده در يك متامواد غير كايرال مسطح را
نشان داده ايم، براي اينكه همچنين علامتهاي امواج وارونه قطبيده ي به طور دايره اي را مشاهده كرديم. ما استدلال كرديم كه پشته سازي چنين ساختارهاي مسطح ساده اي ممكن است فرصتي براي توسعه ي از نظر فني بالاي مناسب و كاربردي ضريب منفي واسطه تامين كند.
* خلاصه روش ها:
- نمونه توصيف و ساخت:
متا مواد مسطح دو دوره اي با يك سلول واحد جذر 15 *15 mm2 (شكل 1 را ببينيد) ، كه مطمئن مي سازد كه ساختار تابش الكترومغناطيس را در وقوع معمول براي فركانسهاي كمتر از 20 گيگاهرتز نمي پراشد. اندازه تمام نمونه تقريبا 220 * 220 mm2 بود. سلول واحد
متا مواد شامل يك حلقه شكاف دار به طور بدون تقارن شكافته با پهناي 1mm و شعاع 6mm در ورقه ي آلومينيوم مستقل1mm ضخامت كنگره دار شده مي شود .
- تكنيك اندازه گيري:
تمام اندازه گيري هاي انتقال در يك اتاق بدون انعكاس در حدود فركانسي 3 – 15 گيگاهرتز استفاده شده از شاخه آنتن هاي پهن باند تجهيز شده توسط لنز متمركزكننده و يك شبكه تحليل بردار ايجاد شدند.
منبع:هوپا
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)