Theoretical study of metamaterials made of resonant dielectric particles in the submillimetric range : artificial magnetism and negative index of refraction
Étude théorique de métamatériaux formés de particules diélectriques résonantes dans la gamme submillimétrique : magnétisme artificiel et indice de réfraction négatif
Résumé
This PhD work was dedicated to the theoretical and numerical study of metamaterials in the terahertz range (or submillimetric) made of dielectric spheres embedded in a host medium. The dipolar electric and magnetic Mie resonances of a set of dielectric particles can provide metamaterials properties such as artificial magnetism or negative index of refraction. In this work, the materials to use, as well as the sizes and the filling fractions of the spheres to achieve magnetism in the terahertz range were precised. As a second step, we interested in the size distribution effects on the effective permeability. We showed that this effect can be detrimental to the emergence of metamaterials properties, but nevertheless, in a controlled amount, polydispersity can generate a wide negative permeability zone with a magnitude close to zero. Finally, we studied the electromagnetic behaviour of bidisperse array of TiO2 spheres with numerical simulations. A Bloch mode analysis of this kind of structure seems to proove the existence of a negative index band for high filling fractions.
Ce travail de thèse a été consacré à l'étude théorique et numérique de métamatériaux pour la gamme submillimétrique (domaine térahertz), formés de sphères diélectriques présentant des résonances dipolaires de Mie électrique et magnétique, dispersées dans un milieu-hôte. Tout d'abord, les matériaux à utiliser ainsi que les tailles et fraction volumique des sphères permettant l'obtention d'effets de perméabilité ont été précisées. Ensuite, nous avons mené une étude de la polydispersité en taille et donné les distributions en taille limite à ne pas dépasser lors d'une synthèse chimique. Nous avons également montré qu'une polydispersité contrôlée pouvait engendrer un élargissement des zones de perméabilité négative ou une zone de perméabilité nulle. Enfin, nous avons étudié le comportement électromagnétique d'assemblages bidisperses de sphères de TiO2 par simulations numériques, et avons procédé à une analyse des modes de Bloch, semblant indiquer l'existence d'une bande d'indice négatif pour des fractions volumiques élevées.
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