Jianfei Zhu

1 Държавна ключова лаборатория за съвременна оптична апаратура, Център за оптични и електромагнитни изследвания, Колеж по оптични науки и инженерство, Университет Zhejiang, Ханджоу 310058, Китай

Вей Дзян

1 Държавна ключова лаборатория за съвременна оптична апаратура, Център за оптични и електромагнитни изследвания, Колеж по оптични науки и инженерство, Университет Zhejiang, Ханджоу 310058, Китай

Ичао Лю

1 Държавна ключова лаборатория за съвременна оптична апаратура, Център за оптични и електромагнитни изследвания, Колеж по оптични науки и инженерство, Университет Zhejiang, Ханджоу 310058, Китай

Ge Yin

1 Държавна ключова лаборатория за съвременна оптична апаратура, Център за оптични и електромагнитни изследвания, Колеж по оптични науки и инженерство, Университет Zhejiang, Ханджоу 310058, Китай

Джун Юан

1 Държавна ключова лаборатория за съвременна оптична апаратура, Център за оптични и електромагнитни изследвания, Колеж по оптични науки и инженерство, Университет Zhejiang, Ханджоу 310058, Китай

Плаване Той

1 Държавна ключова лаборатория за съвременна оптична апаратура, Център за оптични и електромагнитни изследвания, Колеж по оптични науки и инженерство, Университет Zhejiang, Ханджоу 310058, Китай

2 Катедра по електромагнитно инженерство, Факултет по електротехника, Кралски технологичен институт, S-100 44 Стокхолм, Швеция

3 ZJU-SCNU Съвместен изследователски център за фотоника, Южнокитайска академия за напреднала оптоелектроника, Южнокитайски нормален университет, 510006 Гуанджоу, Китай

Юнгуй Ма

1 Държавна ключова лаборатория за съвременна оптична апаратура, Център за оптични и електромагнитни изследвания, Колеж по оптични науки и инженерство, Университет Zhejiang, Ханджоу 310058, Китай

Свързани данни

Резюме

Невидимото прикриване е един от основните резултати от изследванията на метаматериалите, но практическият потенциал, по-специално за високи честоти (например микровълнова към видима светлина), е фатално оспорен от сложните свойства на материала, които те обикновено изискват. От друга страна, ще бъде изгодно, а също и технологично от съществено значение да се проектират прикриващи устройства за приложения при ниски честоти, където електромагнитните компоненти са благоприятно несвързани. В тази работа ние широко развиваме двуслойния подход, за да създадем триизмерно магнитно наметало, способно да работи както в статично, така и в динамично поле. В квазистатичното приближение ние демонстрираме перфектно магнитно маскиращо устройство с голяма честотна лента от 0 до 250 kHz. Практическият потенциал на нашето устройство е експериментално проверен чрез използване на търговски металотърсач, което може да ни доведе до истинско приложение за маскиране, при което динамичното магнитно поле може да се манипулира по желани начини.

По отношение на тези критични проблеми, в тази работа ние широко разработваме двуслойния подход за преследване на магнитно наметало, работещо в 3D квазистатично поле чрез оптимизиране на свойствата на материала. За разлика от металните сплави, използвани преди 23,27,28,32, тук се използва резистивен висококачествен ферит за премахване на вихрово-токовите загуби и по-важното за придобиване на линейна магнитна реакция в относително широк диапазон на полето. За магнетизираната проба се постига почти плосък спектър на пропускливост в честотна лента от постоянен ток. до стотици килохерци. SC компонентът, който използваме, е внимателно произведен от монокристални цилиндри от итриев бариев меден оксид (YBCO), чиито обемни и монокристални характеристики могат да изключат много възможни негативни материални проблеми, свързани с индуктивни загуби. С такава двуслойна структура тук експериментално показваме перфектно 3D магнитно наметало, работещо от d.c. до максимална честота на измерване от 250 kHz, която покрива обхвата на работа на почти всички EMI уреди. Потенциалът за приложение за скриване на обекти в реално поле също се изследва с помощта на търговски метален детектор.

Резултати

Примерен дизайн и изработка

Фигура 1 предоставя схема на двуслойната структура, състояща се от SC вътрешна обвивка (черна) и FM външна обвивка (кафява) в немагнитен фон. Всяка обвивка се състои от две здраво свързани еднакви половини, които се допират една до друга в равнината xy. SC обвивката (вътрешен радиус R1 и външен радиус R2) е обработена и гравирана от два YBCO монокристални цилиндъра. В декартовите координати оста z е дефинирана по оста c на единичната клетка на YBCO и равнината xy е успоредна на равнината на решетката ab. По този начин максимално приложимото магнитно поле е различно по оста z от посоката в равнината xy поради анизотропията на материала41. FM черупката с външен радиус R3 е композит от NiZn меки феритни прахове и парафинова матрица с подходящо съотношение на теглото. Подробностите за производството могат да бъдат намерени в раздела Методи. Ако приемем еднакво статично външно поле и перфектна SC обвивка (дълбочината на кожата или дълбочината на проникване в Лондон е в субмикронната скала41), FM компонентът, изискван от идеалното 3D магнитно наметало, трябва да има пропускливост на Забележка 1)

магнитно поле

Двуслойната структура се състои от вътрешна SC обвивка (R1≤r Фигура 2a – c показва модулните профили на статичното магнитно поле в равнината xz за пробите, направени само от SC, само FM и двуслойния композит (SC + FM), съответно . Нормализираната сила на магнитното поле е представена от различни цветове, а посоката на полето е представена от черните линии на стрелките. Очевидно е, че магнитните силови линии в горната част на пробата се изтласкват от единствената SC обвивка (фиг. 2а) и концентрирани от единствената FM черупка (фиг. 2б), докато тези смущения са напълно отменени чрез правилната им комбинация (фиг. 2в). Тези резултати са по-количествено илюстрирани от кривите на промяната на полето, изчислени по една права линия при 5 -mm разстояние над пробата в допълнителна фигура 1а.

(а-° С) Профилът на интензитета на магнитното поле за статичното поле. (д-е) Профилът на интензитета на магнитното поле за динамичното поле при 25 kHz. Пробите са направени само от SC материал (а,д), Само FM материал (б,д) и двуслойния композит (° С,е), съответно. Различните цветове представляват абсолютната стойност на локалното магнитно поле, нормализирано с най-голямата стойност, а черните линии със стрелки представляват техните посоки. Както за статични, така и за динамични случаи, двуслойната проба не показва смущения във външното магнитно поле и по този начин се реализира перфектно 3D прикриване при квазистатичното приближение.

Измерване на маскиране в статични магнитни полета

(а) Относителната промяна на z-компонентното магнитно поле, измерено за двуслойната проба (черни квадрати) и две референции с SC (червени кръгове) и FM (сини триъгълници) черупки само по права линия при z = R3 + 5 mm в xz равнина. При измерването се прилага равномерно външно магнитно поле от 2,5 mT по оста z. (б) Относителната промяна на магнитното поле като функция от силата на външното магнитно поле, приложено по оста z. Пробата от FM обвивка се измерва само веднъж, докато останалите две проби се измерват два пъти с оста c на единичната клетка YBCO, успоредна на външното магнитно поле (ос c ||З.) и перпендикулярно на него (след завъртане на пробата около оста x на 90 °) (ос c)З.), съответно. Анизотропното свойство на долното критично поле за монокристали YBCO води до „разцепване“ на измерената относителна промяна в равнината при около 2,8 mT. Нашият сензор на Хол има разделителна способност на напрежението 0,1 μV. Лентите за грешки в а и б се получават чрез разделяне на тази стойност с измереното напрежение на пробата.

За практически приложения с различни цели, толерансът на силата на полето е много важен фактор за оценка на способността и потенциала на истински наметало. В този аспект трябва да бъдат внимателно проучени възможностите за линейна реакция на FM компонента и максималното критично поле за SC компонента. По отношение на първия брой, NiZn фенитите на шпинел с относително голяма магнитокристална анизотропна енергия сред меките магнитни материали са използвани в тази работа, за да придобият относително високо полево свойство на линейно намагнитване. Допълнителна фиг. 2а изобразява схемата за хистерезис на намагнитване на нашия FM композит при максимално поле от 1 T при 77 K. Вмъкването за мащабиране на мащабната верига показва, че магнитният композит има добро поведение на линейно намагнитване поне до 20 mT, което може да бъде достатъчно голямо за повечето приложения с ниско поле. Тази линейна характеристика е важна за измерването на текущото амплитудно и честотно възмущение на полето29.

Измерване на маскировка в динамични магнитни полета

Измерването се провежда в равнината xz за z-компонента на близкополевото магнитно поле чрез сканиране на сондата по линията при z = R3 + 5 mm върху пробата, фиксирана в началото (а) или преместване на пробата по линията при z = 0 под сондата, фиксирана на x = 0 и z = R3 + 5 mm (б), съответно. При второто измерване магнитното поле, изпитвано от пробите, има относителна промяна на силата от около 4% поради пространственото нехомогенно разпределение на възбудителното поле. Двете различни измервания дават сходни резултати, показващи здравината и изотропната реакция на полето на нашите проби. Нашият заключващ усилвател има разделителна способност на напрежението 0,2 μV при 25 kHz. Лентите за грешки в а и б се получават чрез разделяне на тази стойност с измереното напрежение на пробата.

Дискусия

Експериментално потвърдихме функционалността на двуслойната мантия и за д.н.е. и динамични полета в квазистатичното приближение. Това предположение е валидно само ако внедреното устройство има перфектен SC компонент с незначителна дълбочина на проникване на полето в сравнение с размера на пробата. Вътрешна обвивка, изработена от обикновен метал, която има честотно зависима дълбочина на проникване при нашите заинтересовани честоти, не може да имитира поведението на перфектен диамагнетик, за да се екранира изцяло първичното поле45. Допълнителна фиг. 5 показва, че ефектът на прикриване изчезва, когато вътрешната SC обвивка е заменена с нормален проводник, като мед. За нашата двуслойна структура, FM и SC компонентите могат да се разглеждат като два противоположни на поляризацията диполи, които балансират влиянието си и предизвикват ефект на магнитна прозрачност46. По принцип няколко микрона могат да бъдат достатъчно дебели за монокристалната SC обвивка, ако нейното производство е осъществимо.

Изработване на пробата

Измерване