Étude et réalisation d'une structure combinant un métamatériau à perméabilité ajustable plongé dans un plasma froid à permittivité contrôlable

Study and realization of a structure combining a metamaterial with adjustable permeability immersed in a low pressure non-equilibrium plasma with controllable permittivity

• Auteur / Autrice : Rafael Navarro
• Direction : Jérôme Sokoloff, Laurent Liard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et Systèmes Haute Fréquence
• Date : Soutenance le 10/03/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Indice de réfraction négatif

Perméabilité

Métamatériaux

Mots clés libres

Métamatériaux main gauche

Perméabilité négative

Permittivité négative

Indice de réfraction négatif

Plasma froid

Caractérisation électromagnétique

Reconfigurabilité

Microondes

Left-Handed Metamaterials

Negative Permeability

Negative Permittivity

Negative Refractive Index

Non-equilibrium Plasma

Electromagnetic Characterization

Reconfigurability

Microwaves

Résumé

Les métamatériaux sont des matériaux possédant des caractéristiques exotiques qui n'existent pas dans la nature. Ils peuvent être réalisés par une structure métallique périodique dont la cellule élémentaire est assez petite devant la longueur d'onde aux fréquences d'intérêt. D'un point de vue électromagnétique, ces matériaux peuvent notamment avoir une perméabilité négative à certaines fréquences. D'autre part, un plasma à basse pression peut être modélisé comme un matériau à permittivité négative si sa densité électronique dépasse la densité critique à une fréquence spécifique. Cette thèse étudie l'intégration d'un métamatériau à perméabilité négative, le Split Ring Resonator (SRR), dans un plasma d'argon à basse pression (entre 5 et 100 mTorr). Les objectifs visent d'une part, à la réalisation d'un métamatériau reconfigurable à base du plasma comme élément contrôlable, et d'autre part, à la réalisation d'un matériau doublement négatif, connu aussi sous le nom de matériau main gauche, présentant à la fois une permittivité et une perméabilité négative. La démarche a été menée de manière expérimentale à l'aide d'une cavité métallique où une source à couplage inductive (ICP) à 13.56 MHz a été placée au-dessus de la cavité (isolée par une vitre du quartz) pour l'allumage et l'entretien du plasma. A l'intérieur de cette cavité deux antennes cornets ont été fixées pour la caractérisation microonde. Une méthode de caractérisation dédiée, spécifique à cet environnement complexe, a été développée pour caractériser électromagnétiquement la structure créée. Une sonde de Langmuir a été utilisée pour mesurer la densité électronique du plasma généré. Des simulations électromagnétiques sont faites en utilisant l'outil ANSYS Electronics Desktop(r) pour aider à comprendre les effets du plasma sur le métamatériau SRR et sa résonance.

Metamaterials are materials with exotic characteristics that do not exist in nature. They can be made by a periodic metal structure whose elementary cell is quite small compared to the wavelength at the frequencies of interest. From an electromagnetic point of view, these materials can in particular have a negative permeability at certain frequencies. On the other hand, a low pressure plasma can be modeled as a material with negative permittivity if its electron density exceeds the critical density at a specific frequency. This thesis studies the integration of a negative permeability metamaterial, the Split Ring Resonator (SRR), into a low pressure argon plasma (between 5 and 100 mTorr). The objectives are, on the one hand, to produce a reconfigurable metamaterial based on plasma as a controllable element and, on the other hand, to produce a doubly negative material, also known as a left-hand material, presenting both a permittivity and a negative permeability. The approach was experimentally conducted using a metal cavity where a 13.56 MHz Inductively Coupled Source (ICP) was placed over the cavity (isolated by quartz glass) for ignition and the maintenance of the plasma. Inside this cavity two horn antennas have been fixed for the microwave characterization. A dedicated characterization method, specific to this complex environment, has been developed to electromagnetically characterize the created structure. A Langmuir probe was used to measure the electron density of the generated plasma. Electromagnetic simulations are made using the ANSYS Electronics Desktop(r) tool to help understand the effects of plasma on the SRR metamaterial and its resonance.