DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85747-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39809897
تاريخ النشر: 2025-01-15
المؤلف: Hussein A. Elsayed وآخرون
الموضوع الرئيسي: البلورات الضوئية والتطبيقات
نظرة عامة
تستكشف هذه الورقة البحثية مستشعرًا مغناطيسيًا جديدًا يستخدم رنين فانو/تام داخل فجوة النطاق الضوئي لهيكل بلوري أحادي البعد. يتميز تصميم المستشعر بطبقة رقيقة من الذهب (Au) مدمجة مع ترتيب دوري من أكسيد التنتالوم (Ta$_2$O$_5$) ويوديد السيزيوم (CsI) في التكوين [Au/((Ta$_2$O$_5$)/(CsI))$^N$]. استخدم المؤلفون طريقة مصفوفة النقل (TMM) جنبًا إلى جنب مع نموذج درود لتحليل تشكيل حالات فانو/تام وسمية الطبقة المعدنية. تتأثر معالجة هذه الحالات بالاستقطاب الدائري للموجات الكهرومغناطيسية وحقول مغناطيسية مطبقة. تم تحسين المعلمات الرئيسية مثل اختيار المواد، وسمك الطبقة، وتكرارية وحدة الخلية، وزاوية السقوط لتعزيز أداء المستشعر.
تشير النتائج إلى أن التغيرات في شدة المجال المغناطيسي تؤثر بشكل كبير على موضع رنين فانو/تام في طيف الانعكاسية ضمن نطاق الطول الموجي من 60 ميكرومتر إلى 140 ميكرومتر. يظهر المستشعر حساسية قصوى تبلغ 57 نانومتر/تسلا ضمن شدة مجال مغناطيسي تتراوح بين 20 إلى 140 تسلا، مما يجعله مرشحًا واعدًا للتطبيقات في قياس المجال المغناطيسي والاتصالات، لا سيما في منطقة الأشعة تحت الحمراء البعيدة. تختتم الدراسة بأن الهيكل الأمثل لـ [Au/((Ta$_2$O$_5$)/(CsI))$^5$] يحقق حساسية عالية بسبب المعلمات الهندسية والبنائية المختارة بعناية، مما يضع المستشعر كأداة قيمة للكشف عن المجال المغناطيسي.
طرق
في هذا القسم، يستكشف المؤلفون تحسين أنواع المواد لتعزيز حساسية هيكل ضوئي. يقومون بتحليل طبقات معدنية مختلفة، بما في ذلك الفضة (Ag)، والألمنيوم (Al)، والذهب (Au)، والبلاتين (Pt)، كل منها يتميز بخصائص بصرية مميزة مثل تردد البلازما وثوابت التخميد، كما هو ملخص في الجدول 1. تشير النتائج إلى أن حساسية الهيكل تختلف بشكل كبير مع اختيار المعدن؛ حيث يتم تحقيق أعلى حساسية تبلغ 11.4 نانومتر/تسلا مع الذهب، بينما تحقق الألمنيوم والبلاتين حساسية أقل تبلغ 5.8 نانومتر/تسلا و3.8 نانومتر/تسلا، على التوالي.
اختار المؤلفون في البداية فلوريد السترونتيوم (SrF₂) لخصائصه البصرية المواتية، محققين حساسية تبلغ حوالي 11.4 نانومتر/تسلا. ومع ذلك، يستكشفون مواد أخرى ذات موصلية حرارية عالية وثبات، مثل فوسفات الغاليوم (GaP) وكربيد السيليكون (SiC)، والتي لا تتجاوز حساسية SrF₂. من الجدير بالذكر أن أكسيد الهافنيوم (HfO₂) يعزز الحساسية إلى 16 نانومتر/تسلا، بينما تحقق أكاسيد المعادن الانتقالية مثل أكسيد التنتالوم (Ta₂O₅) أعلى حساسية تبلغ 21.8 نانومتر/تسلا بسبب خصائصها البصرية المواتية. يتم الإشارة إلى التكوين النهائي للهيكل على أنه \([ \text{Au} / ( \text{Ta}_2\text{O}_5 / \text{PMP} )_5 ]\). يقوم المؤلفون أيضًا باستبدال طبقة PMP مع بوليمرات منخفضة معامل الانكسار المختلفة، محققين في النهاية حساسية تبلغ 24 نانومتر/تسلا مع يوديد السيزيوم (CsI)، مما يؤدي إلى التصميم النهائي الممثل كـ \([ \text{Au} / ( \text{Ta}_2\text{O}_5 / \text{CsI} )_5 ]\).
نتائج
في هذا القسم، يقدم المؤلفون النتائج العددية المتعلقة بمستشعر المجال المغناطيسي المقترح، مع التركيز على التفاعل بين رنين فانو ورنين تام. توضح الشكل 2 ظهور رنين فانو/تام المرتبط عند طول موجي يبلغ 104 ميكرومتر، وهو أمر حيوي لوظيفة المستشعر. إن التحول في موضع هذا الوضع الرنيني أمر حاسم، مما يتطلب فحصًا دقيقًا للمواد المستخدمة لتحسين أداء المستشعر.
تتفصل الدراسة في عملية تحسين تشمل هيكلًا يتكون من طبقة رقيقة من الذهب (Au) فوق خمسة وحدات خلوية من البلورات الضوئية (PhCs)، كل منها يتكون من طبقات متناوبة من فلوريد السترونتيوم (SrF₂) وبولي ميثيل بنزين (PMP). تم تعيين السماكات الأولية عند 4 نانومتر لطبقة Au، و8 ميكرومتر لـ SrF₂، و18 ميكرومتر لـ PMP، مع زاوية سقوط θ₀ = 0°. يؤكد المؤلفون أن اختيار المواد، ونوع المعدن، وسماكات الطبقات، وعدد الفترات، وزاوية السقوط هي معلمات حاسمة تؤثر بشكل كبير على أداء المستشعر.
مناقشة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون مناقشة مفصلة حول تصميم وتحسين مستشعر المجال المغناطيسي من بلورة ضوئية أحادية البعد (PhC) الذي يستخدم طبقة معدنية رقيقة لتحقيق وضع رنين فانو/تام المرتبط. يتم بناء المستشعر من طبقات متناوبة من أكسيد التنتالوم (Ta$_2$O$_5$) ويوديد السيزيوم (CsI)، مع طبقة معدنية من الذهب (Au) في الأعلى. يستخدم الإطار النظري طريقة مصفوفة النقل (TMM)، ونموذج درود، وتأثير فاراداي لتحليل تفاعل الموجات الكهرومغناطيسية (EMWs) مع المستشعر تحت تأثير مجال مغناطيسي مطبق. تشير النتائج الرئيسية إلى أن السماكات المثلى لطبقة Au، وTa$_2$O$_5$، وCsI هي 6 نانومتر، و5 ميكرومتر، و14 ميكرومتر، على التوالي، مع تكرارية تبلغ 5 طبقات، مما يحقق أقصى حساسية تبلغ 57 نانومتر/تسلا.
تظهر عملية التحسين أيضًا أن الحساسية تتأثر بسماكة كل طبقة وزاوية السقوط للموجات الكهرومغناطيسية. من الجدير بالذكر أن الحساسية تزداد مع سماكة طبقة Au حتى 6 نانومتر، بعد ذلك تنخفض. وبالمثل، تظهر سماكة طبقة Ta$_2$O$_5$ قيمة مثلى عند 5 ميكرومتر، بينما تصل حساسية طبقة CsI إلى ذروتها عند 14 ميكرومتر. يختتم المؤلفون بأن تصميم مستشعرهم يتفوق على مستشعرات المجال المغناطيسي الحالية من حيث الحساسية وكفاءة التشغيل، مما يجعله مرشحًا واعدًا للتطبيقات في الاتصالات وكشف المجال المغناطيسي، لا سيما في النطاق تحت الأحمر.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-85747-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39809897
Publication Date: 2025-01-15
Author(s): Hussein A. Elsayed et al.
Primary Topic: Photonic Crystals and Applications
Overview
This research paper investigates a novel magnetic sensor that utilizes Fano/Tamm resonance within the photonic band gap of a one-dimensional crystal structure. The sensor design features a thin layer of gold (Au) combined with a periodic arrangement of Tantalum pentoxide (Ta$_2$O$_5$) and Cesium iodide (CsI) in the configuration [Au/((Ta$_2$O$_5$)/(CsI))$^N$]. The authors employed the transfer matrix method (TMM) alongside the Drude model to analyze the formation of Fano/Tamm states and the permittivity of the metallic layer. The manipulation of these states is influenced by the circular polarization of electromagnetic waves and an applied magnetic field. Key parameters such as material selection, layer thickness, unit cell periodicity, and angle of incidence were optimized to enhance sensor performance.
The findings indicate that variations in magnetic field strength significantly affect the position of Fano/Tamm resonance in the reflectivity spectrum within the wavelength range of 60 μm to 140 μm. The sensor demonstrates a maximum sensitivity of 57 nm/Tesla within a magnetic field strength of 20 to 140 Tesla, making it a promising candidate for applications in magnetic field measurement and telecommunications, particularly in the far-infrared region. The study concludes that the optimal structure of [Au/((Ta$_2$O$_5$)/(CsI))$^5$] achieves high sensitivity due to carefully chosen geometrical and structural parameters, positioning the sensor as a valuable tool for magnetic field detection.
Methods
In this section, the authors investigate the optimization of material types to enhance the sensitivity of a photonic structure. They analyze various metallic layers, including silver (Ag), aluminum (Al), gold (Au), and platinum (Pt), each characterized by distinct optical properties such as plasma frequency and damping constants, as summarized in Table 1. The findings indicate that the sensitivity of the structure varies significantly with the choice of metal; the highest sensitivity of 11.4 nm/Tesla is achieved with gold, while aluminum and platinum yield lower sensitivities of 5.8 nm/Tesla and 3.8 nm/Tesla, respectively.
The authors initially select strontium fluoride (SrF₂) for its favorable optical properties, achieving a sensitivity of approximately 11.4 nm/Tesla. However, they explore other materials with high thermal conductivity and stability, such as gallium phosphide (GaP) and silicon carbide (SiC), which do not surpass the sensitivity of SrF₂. Notably, hafnium dioxide (HfO₂) enhances sensitivity to 16 nm/Tesla, while transition metal oxides like tantalum pentoxide (Ta₂O₅) achieve the highest sensitivity of 21.8 nm/Tesla due to their advantageous optical characteristics. The final configuration of the structure is denoted as \([ \text{Au} / ( \text{Ta}_2\text{O}_5 / \text{PMP} )_5 ]\). The authors further replace the PMP layer with various low-refractive-index polymers, ultimately achieving a sensitivity of 24 nm/Tesla with cesium iodide (CsI), leading to the final design represented as \([ \text{Au} / ( \text{Ta}_2\text{O}_5 / \text{CsI} )_5 ]\).
Results
In this section, the authors present the numerical findings related to their proposed magnetic field sensor, focusing on the interaction between Fano and Tamm resonances. Figure 2 demonstrates the emergence of a coupled Fano/Tamm resonance at a wavelength of 104 µm, which is pivotal for the sensor’s functionality. The shift in this resonant mode’s position is critical, necessitating a careful examination of the materials used to optimize sensor performance.
The study details an optimization process involving a structure composed of a thin gold (Au) layer atop five unit cells of photonic crystals (PhCs), each consisting of alternating layers of strontium fluoride (SrF₂) and polymethylpentene (PMP). The initial thicknesses are set at 4 nm for the Au layer, 8 µm for SrF₂, and 18 µm for PMP, with an incidence angle of θ₀ = 0°. The authors emphasize that the choice of materials, metal type, layer thicknesses, number of periods, and incidence angle are crucial parameters that significantly influence the sensor’s performance.
Discussion
In this section, the authors present a detailed discussion on the design and optimization of a one-dimensional photonic crystal (PhC) magnetic field sensor that utilizes a thin metallic layer to achieve a coupled Fano/Tamm resonance mode. The sensor is constructed from alternating layers of Tantalum pentoxide (Ta$_2$O$_5$) and Cesium iodide (CsI), with a metallic layer of gold (Au) on top. The theoretical framework employs the transfer matrix method (TMM), Drude model, and Faraday effect to analyze the interaction of electromagnetic waves (EMWs) with the sensor under an applied magnetic field. Key findings indicate that the optimal thicknesses for the Au layer, Ta$_2$O$_5$, and CsI are 6 nm, 5 µm, and 14 µm, respectively, with a periodicity of 5 layers, achieving a maximum sensitivity of 57 nm/Tesla.
The optimization process also reveals that sensitivity is influenced by the thickness of each layer and the incident angle of the EMWs. Notably, the sensitivity increases with the thickness of the Au layer up to 6 nm, after which it declines. Similarly, the thickness of the Ta$_2$O$_5$ layer shows an optimal value at 5 µm, while the CsI layer’s sensitivity peaks at 14 µm. The authors conclude that their sensor design outperforms existing magnetic field sensors in terms of sensitivity and operational efficiency, making it a promising candidate for applications in telecommunications and magnetic field detection, particularly in the infrared range.