[发明专利]一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法。

背景技术

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，人们设计发明了“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[Vol.330,1510-1512(2010)]，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，即所谓的磁涡旋共振(Toroidal resonance)。这种磁涡旋共振，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涡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。

发明内容

本发明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，提供一种全电磁波诱导霍尔电压的装置及方法，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。

本发明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。

在本发明所述技术方案中，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。