Étude théorique de métamatériaux formés de particules diélectriques résonantes dans la gamme submillimétrique : magnétisme artificiel et indice de réfraction négatif

par Sylvain Lannebere

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Ashod Aradian et de Valérie Vigneras.

Soutenue le 30-11-2011

à Bordeaux 1 , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde) (laboratoire) .

Le jury était composé de Filippo Capolino, Bernard Pouligny.

Les rapporteurs étaient Eric Akmansoy, David Cassagne.

mots clés

• Électromagnétisme
• Métamatériaux
• Diélectrique
• Térahertz
• Modélisation
• Milieu effectif
• Résonances de Mie
• Métamatériaux
• Diélectriques
• Rayonnement terahertz
• Électromagnétisme

Résumé

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, mettant en évidence 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 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.

mots clés

• Electromagnetism
• Metamaterials
• Dielectrics
• Terahertz
• Modelling
• Effective medium
• Mie resonances

Titre traduit

Theoretical study of metamaterials made of resonant dielectric particles in the submillimetric range : artificial magnetism and negative index of refraction

Résumé

This PhD work was dedicated to the theoretical and numerical study of metamaterials in the terahertz range made of dielectric spheres embedded in a host medium and exhibiting dipolar electric and magnetic Mie resonances. The materials as well as the sizes and the filling fractions of the spheres to use to achieve magnetism in this range of frequency were precised. As a second step, we interested in the size distribution effects on the effective permeability, and showed that a controlled polydispersity can generate a widening of the negative permeability zone with a magnitude close to zero. Finally, we studied the electromagnetic behaviour of bidisperse array of TiO2 spheres with numerical simulations, and a Bloch mode analysis seems to proove the existence of a negative index band for high filling fractions.