Подделать поверхностный плазмон

Поддельные поверхностные плазмоны , также известные как поддельные поверхностные плазмонные поляритоны и дизайнерские поверхностные плазмоны . представляют собой поверхностные электромагнитные волны в микроволновом и терагерцовом режимах, распространяющиеся вдоль плоских границ раздела со знакопеременными диэлектрическими проницаемостями . Поддельные поверхностные плазмоны — это тип поверхностных плазмонных поляритонов , которые обычно распространяются вдоль границ раздела металла и диэлектрика в инфракрасных и видимых частотах. Поскольку поверхностные плазмонные поляритоны не могут существовать естественным путем на микроволновых и терагерцовых частотах из-за дисперсионных свойств металлов, имитация поверхностных плазмонов требует использования искусственно созданных метаматериалов .

Поддельные поверхностные плазмоны разделяют естественные свойства поверхностных плазмонных поляритонов, такие как дисперсионные характеристики и ограничение субволнового поля. Впервые они были теоретизированы Джоном Пендри и др.

Теория

Основная статья: Поверхностный плазмон-поляритон

Колебания SPP между границей раздела металл-диэлектрик

Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) возникают в результате взаимодействия делокализованных электронных колебаний (« поверхностный плазмон ») с электромагнитными волнами (« поляритон »). ППП распространяются вдоль границы между материалом с положительной и отрицательной диэлектрической проницаемостью. Эти волны затухают перпендикулярно границе раздела (« затухающее поле »). Для плазмонной среды, стратифицированной вдоль направления z в декартовых координатах , дисперсионное уравнение для SPP можно получить из решения уравнений Максвелла :

$k_{x}={\frac {\omega }{c}}\left({\frac {\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}}{\varepsilon _{1}+\varepsilon _{2}}}\right)^{\frac {1}{2}}$

где

• $k_{x}$ , волновой вектор параллельный границе раздела. Это в направлении распространения .
• $\omega$ - угловая частота .
• $c$ это скорость света .
• $\varepsilon _{1}$ и $\varepsilon _{2}$ – относительные диэлектрические проницаемости металла и диэлектрика.

Согласно этому соотношению, SPP имеют более короткие длины волн, чем свет в свободном пространстве, в полосе частот ниже частоты поверхностного плазмона; это свойство, а также ограничение субволновой длины, открывает новые возможности применения в субволновой оптике и системах за пределами дифракционного предела . Тем не менее, для более низких частотных диапазонов, таких как микроволновый и терагерцовый, моды поверхностного плазмон-поляритона не поддерживаются; В этом режиме металлы действуют примерно как идеальные электрические проводники с мнимыми диэлектрическими функциями. Согласно подходу эффективной среды , металлические поверхности с субволновыми структурными элементами могут имитировать поведение плазмы , что приводит к искусственным поверхностным плазмон-поляритонным возбуждениям с аналогичным дисперсионным поведением.

Для канонического случая метаматериальной среды, образованной тонкими металлическими проволоками на периодической квадратной решетке , эффективная относительная диэлектрическая проницаемость может быть представлена ​​формулой модели Друде :

$\varepsilon _{eff}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega \left(\omega +i{\frac {\varepsilon _{0}a^{2}\omega _{p}^{2}}{\pi r^{2}\sigma }}\right)}}$

$\omega _{p}^{2}={\frac {2\pi c^{2}}{a^{2}ln(a/r)}}$

где

• $\omega _{p}$ – эффективная плазменная частота среды.
• $\varepsilon _{0}$ - диэлектрическая проницаемость вакуума .
• $a$ – период решетки.
• $r$ - радиус конститутивных проволок.
• $\sigma$ – электропроводность металла.

Методы и приложения

Моделирование распространения ложного поверхностного плазмона через метаматериал обратной волны в микроволновом режиме

Использование субволновых структур для индукции низкочастотных плазмонных возбуждений было впервые теоретизировано Джоном Пендри и др. в 1996 году; Пендри предположил, что периодическая решетка из тонких металлических проволок радиусом 1 мкм может использоваться для поддержки поверхностно-связанных мод с частотой плазменной отсечки 8,2 ГГц. В 2004 году Пендри и др. расширил подход к металлическим поверхностям, перфорированным отверстиями, назвав искусственные SPP-возбуждения «поддельными поверхностными плазмонами».

моделирования было показано распространение терагерцового импульса в плоских металлических структурах с отверстиями В 2006 году с помощью FDTD- . Мартин-Кано и др. реализовали пространственную и временную модуляцию управляемых терагерцовых мод через металлические структуры -параллелепипеды , которые они назвали « домино- плазмонами». В 2010 году дизайнерские поддельные плазмонные структуры также были адаптированы для улучшения характеристик терагерцовых квантовых каскадных лазеров .

Поддельные поверхностные плазмоны были предложены как возможное решение для уменьшения перекрестных помех в микроволновых интегральных схемах , линиях передачи и волноводах . В 2013 году Ма и др. продемонстрировал согласованное преобразование копланарного волновода с характеристическим сопротивлением 50 Ом в поддельную плазмонную структуру. интеграция коммерческого малошумящего усилителя В 2014 году реализована с поддельными плазмонными структурами; Сообщается, что система работала в диапазоне от 6 до 20 ГГц с усилением около 20 дБ . Кианинежад и др. также сообщил о конструкции медленноволновой ложно-плазмонной линии передачи; Также было продемонстрировано преобразование квази- ТЕМ- микрополосковых мод в ТМ- поддельные плазмонные моды.

Ханикаев и др. сообщили о невзаимной имитации поверхностных плазмонных мод в структурированном проводнике, встроенном в асимметричную магнитооптическую среду, что приводит к односторонней передаче. Пан и др. наблюдал отказ от некоторых поддельных плазмонных мод с введением электрически резонансных частиц метаматериала в поддельную плазмонную полосу. Локализованные ложные поверхностные плазмоны также были продемонстрированы для металлических дисков на микроволновых частотах.

См. также

• Фотонный кристалл
• Плазмонный метаматериал
• Разъемный кольцевой резонатор
• Супер объектив
• Терагерцовый метаматериал

Дальнейшее чтение

• Уидобро, Палома Арройо; Фернандес-Домингес, Антонио И.; Пендри, Джон Б .; Мартин-Морено, Луис; Гарсиа-Видаль, Франсиско Дж. (январь 2018 г.). Подделать поверхностные плазмонные метаматериалы . Издательство Кембриджского университета . дои : 10.1017/9781108553445 . ISBN  9781108553445 . S2CID   139524223 .