Поверхностная волна Дьяконова

Поверхностные волны Дьяконова ( ПВД ) — это поверхностные электромагнитные волны , которые распространяются вдоль границы раздела между изотропной и одноосно- двупреломляющей средой. Они были теоретически предсказаны в 1988 году российским физиком Михаилом Дьяконовым . ^[1] В отличие от других типов акустических и электромагнитных поверхностных волн, существование ПВД обусловлено разницей в симметрии материалов, образующих границу раздела. Он рассмотрел границу между изотропной передающей средой и анизотропным одноосным кристаллом и показал, что при определенных условиях должны существовать волны, локализованные на границе раздела. Позднее было предсказано существование подобных волн на границе раздела между двумя идентичными одноосными кристаллами с различной ориентацией . ^[2] Ранее известные электромагнитные поверхностные волны, поверхностные плазмоны и поверхностные плазмонные поляритоны , существуют при условии, что диэлектрическая проницаемость одного из материалов, образующих границу раздела, отрицательна, а другого — положительна (например, это имеет место для границы раздела воздух/металл ниже плазменной частоты ). Напротив, DSW может распространяться, когда оба материала прозрачны; следовательно, они практически не имеют потерь, что является их самым интересным свойством.

В последние годы значимость и потенциал DSW привлекли внимание многих исследователей: изменение конститутивных свойств одного или обоих из двух материалов-партнеров — например, из-за инфильтрации любого химического или биологического агента — может заметно изменить характеристики волны. Следовательно, предусматриваются многочисленные потенциальные приложения, включая устройства для интегрированной оптики, химического и биологического поверхностного зондирования и т. д. ^[3] Однако нелегко удовлетворить необходимые условия для DSW, и из-за этого первое экспериментальное наблюдение DSW для доказательства принципа ^[4] было сообщено только через 20 лет после первоначального предсказания.

Появилось большое количество теоретических работ, посвященных различным аспектам этого явления, см. подробный обзор. ^[5] В частности, было изучено распространение DSW на магнитных интерфейсах, ^[6] в левосторонних материалах, ^[7] в электрооптических, ^{[8] [9]} и хиральных ^[10] материалах. Было предсказано резонансное пропускание, вызванное DSW в структурах, использующих призмы, ^[11] и было изучено и обнаружено сочетание и взаимодействие между DSW и поверхностными плазмонами (плазмонами Дьяконова) ^{[12] [13] [14]} . ^{[15] [16]}

Простейшая конфигурация, рассмотренная в [1], состоит из интерфейса между изотропным материалом с диэлектрической проницаемостью ε и одноосным кристаллом с диэлектрическими проницаемостями ε ₀ и ε _e для обыкновенной и необыкновенной волн соответственно. Ось кристалла C параллельна интерфейсу. Для этой конфигурации DSW может распространяться вдоль интерфейса в определенных угловых интервалах относительно оси C при условии, что выполняется условие ε _e > ε > ε _0. Таким образом, DSW поддерживаются интерфейсами только с положительными двулучепреломляющими кристаллами ( ε _e > ε ₀ ). Угловой интервал определяется параметром

${\displaystyle \eta ={\frac {\epsilon _{e}}{\epsilon _{0}}}-1}$.

Угловые интервалы для фазовых и групповых скоростей DSW ( Δθ _ph и Δθ _gr ) различны. Интервал фазовой скорости пропорционален η ² и даже для самых сильно двупреломляющих природных кристаллов очень узок Δθ _ph ≈ 1° ( рутил ) и Δθ _ph ≈ 4° ( каломель ). ^[17] Однако физически более важный интервал групповой скорости существенно больше (пропорционален η ). Расчеты дают Δθ _gr ≈ 7° для рутила и Δθ _gr ≈ 20° для каломели.

Широкое экспериментальное исследование систем материалов DSW и эволюция связанных с ними практических устройств в значительной степени ограничивались строгими условиями анизотропии , необходимыми для успешного распространения DSW, в частности, высокой степенью двупреломления по крайней мере одного из составляющих материалов и ограниченным числом естественно доступных материалов, удовлетворяющих этому требованию. Однако это должно измениться в свете новых искусственно созданных метаматериалов ^[18] и революционных методов синтеза материалов.

Чрезвычайная чувствительность DSW к анизотропии и, следовательно, к напряжению, наряду с их малыми потерями (большой радиус действия) делают их особенно привлекательными для обеспечения высокочувствительного тактильного и ультразвукового зондирования для высокоскоростных технологий передачи и считывания следующего поколения. Более того, уникальная направленность DSW может использоваться для управления оптическими сигналами. ^[19]

• Волна Дьяконова–Фойгта
• Поверхностная волна
• Режим утечки ^[20]