Dispositifs électromagnétiques non réciproques à base de graphène

Le graphène est une couche monoatomique d'atomes de carbone disposés dans un réseau en nid d'abeilles. Ce matériau a été produit la première fois en 2004 par un groupe de l'Université de Manchester. Des expérimentations suivantes sur le graphène, ont révélé des propriétés électromagnétiques, mécaniques et thermiques inhabituelles. Ces propriétés sont le résultat de sa structure de bande d'énergie unique, linéaire et sans zones interdites, dite cône de Dirac. En raison de sa structure de bande d'énergie, le graphène présente des propriétés métalliques. Par conséquent, comme les métaux et les gaz d'électrons 2D, il soutient une oscillation collective des charges de surface appelées plasmons de surface. L'onde électromagnétique produite par les plasmons de surface est étroitement lié à la surface et sa longueur d'onde est fortement comprimé par rapport à la longueur d'onde d'espace libre. Lorsque elle sont polarisé par un champ magnétique perpendiculaire, ces oscillations collectives des charges de surface sont appelés magnétoplasmons. Les Magnétoplasmons peuvent briser la symétrie du renversement du temps et présentent propriétés non réciproques. Par conséquent, ils se comportent différemment, pour des directions opposées de propagation. Dans cette thèse, nous adaptons le graphène pour la conception de dispositifs magnétoplasmoniques non réciproques, tels que des isolateurs et des déphaseurs non réciproques. Un isolateur est un dispositif qui permet la propagation dans un seul sens. Un déphaseur non réciproque produit des déphasages différents pour des directions opposées de propagation. Nous considérons les dispositifs fonctionnant dans les fréquences térahertz. Le domaine térahertz est devenu attrayant au cours des dernières années pour ses bienfaits dans diverses applications telles que l'imagerie, les études biologiques, l'exploration spatiale, les communications à courte portée et les radars compacts. Cependant, la conception des sources, des dispositifs et des composants électromagnétiques classiques dans cette bande de fréquence de 300 GHz à 30 THz est un grand défi. Les dispositifs magnétoplasmoniques non réciproques à base de graphène présentées dans cet ouvrage peuvent en général opérer dans le térahertz, l'infrarouge et les fréquences optiques. Nous démontrons théoriquement un coupleur non réciproque, déphaseur non réciproque et isolateur à base de graphène opérant dans le régime térahertz. Avec la vaste recherche axée autour de la production de feuilles de graphène de haute qualité, les dispositifs non réciproques proposées peuvent servir de bonnes solutions pour les dispositifs non-réciproques dans le régime de térahertz.

Abstract

Graphene is a monoatomic layer material made of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice. This material was first produced in 2004 by a group in the University of Manchester. Following experiments on graphene, revealed its unusual electromagnetic, mechanical and thermal properties. These properties are a result of its unique, linear and gapless energy band structure, called the Dirac cone. As a result of its band structure, graphene exhibits metallic properties. Therefore like metals and 2D electron gases it supports collective oscillation of surface charges called surface plasmons. The electromagnetic wave produced by surface plasmons are tightly bound to the surface and its wavelength is highly compressed, compared to the free space wavelength. When biased by a normal magnetic field, these collective oscillation of surface charges are called magntoplasmons. Magnetoplasmons can break time reversal symmetry and exhibit non-reciprocal properties. Therefore, they behave differently for opposite directions of propagation. In this thesis we tailor graphene for the design of non-reciprocal magnetoplasmonic devices, such as isolators and non-reciprocal phase shifters. An isolator is a device that permits propagation only in one direction. A nonreciprocal phase shifter produces different phase shifts for opposite directions of propagation. We consider devices operating at terahertz frequencies. The terahertz band has become attractive in recent years for its benefits in applications such as imaging, biological studies, space exploration, short range communication and compact radars. However the design of conventional electromagnetic sources, devices and components in this frequency band is a big challenge. The graphene non-reciprocal magnetoplasmonic devices presented in this work can in general operate in the terahertz, infrared and optical frequencies. We theoretically demonstrate graphene-based non-reciprocal coupler, phase shifter and isolator operating in the terahertz regime. With the extensive research focused around producing high quality graphene sheets, the proposed non-reciprocal devices may serve as good alternatives for non-reciprocal devices in the terahertz regime.