Ложный поверхностный плазмон

Ложные поверхностные плазмоны , также известные как ложные поверхностные плазмонные поляритоны и дизайнерские поверхностные плазмоны , [1] являются поверхностными электромагнитными волнами в микроволновом и терагерцовом диапазонах, которые распространяются вдоль планарных интерфейсов с меняющимися знаками диэлектрических проницаемостей . Ложные поверхностные плазмоны являются типом поверхностных плазмонных поляритонов , которые обычно распространяются вдоль металлических и диэлектрических интерфейсов в инфракрасном и видимом диапазонах частот. Поскольку поверхностные плазмонные поляритоны не могут существовать естественным образом в микроволновом и терагерцовом диапазонах из-за дисперсионных свойств металлов, ложные поверхностные плазмоны требуют использования искусственно созданных метаматериалов .

Ложные поверхностные плазмоны разделяют естественные свойства поверхностных плазмонных поляритонов, такие как дисперсионные характеристики и субволновое ограничение поля. Они были впервые теоретически описаны Джоном Пендри и др. [2]

Теория

SPP-колебания между металл-диэлектрическим интерфейсом

Поверхностные плазмонные поляритоны (ПП) возникают в результате связи делокализованных электронных колебаний (« поверхностный плазмон ») с электромагнитными волнами (« поляритон »). ПП распространяются вдоль интерфейса между материалами с положительной и отрицательной диэлектрической проницаемостью. Эти волны затухают перпендикулярно интерфейсу (« затухающее поле »). Для плазмонной среды, которая стратифицирована вдоль направления z в декартовых координатах , дисперсионное соотношение для ПП может быть получено путем решения уравнений Максвелла : [3]

к х = ω с ( ε 1 ε 2 ε 1 + ε 2 ) 1 2 {\displaystyle k_{x}={\frac {\omega }{c}}\left({\frac {\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}}{\varepsilon _{1}+\varepsilon _{2}}}\right)^{\frac {1}{2}}}

где

Согласно этому соотношению, SPP имеют более короткие длины волн, чем свет в свободном пространстве для полосы частот ниже частоты поверхностного плазмона; это свойство, а также субволновое ограничение, открывает новые приложения в субволновой оптике и системах за пределами дифракционного предела . [3] Тем не менее, для более низких полос частот, таких как микроволновый и терагерцовый, моды поверхностного плазмонного поляритона не поддерживаются; металлы функционируют приблизительно как идеальные электрические проводники с воображаемыми диэлектрическими функциями в этом режиме. [4] Согласно подходу эффективной среды , металлические поверхности со структурными элементами субволновой длины могут имитировать поведение плазмы , что приводит к искусственным возбуждениям поверхностного плазмонного поляритона с аналогичным дисперсионным поведением. [4] [5] [6]

Для канонического случая метаматериальной среды, образованной тонкими металлическими проволоками на периодической квадратной решетке , эффективная относительная диэлектрическая проницаемость может быть представлена ​​формулой модели Друде : [4]

ε е ф ф = 1 − ω п 2 ω ( ω + я ε 0 а 2 ω п 2 π г 2 σ ) {\displaystyle \varepsilon _{eff}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega \left(\omega +i{\frac {\varepsilon _{0}a^{2}\omega _{p}^{2}}{\pi r^{2}\sigma }}\right)}}}
ω п 2 = 2 π с 2 а 2 л н ( а / г ) {\displaystyle \omega _{p}^{2}={\frac {2\pi c^{2}}{a^{2}ln(a/r)}}}

где

Методы и приложения

Моделирование распространения ложного поверхностного плазмона через метаматериал с обратной волной в микроволновом  режиме [7]

Использование субволновых структур для индуцирования низкочастотных плазмонных возбуждений было впервые теоретически обосновано Джоном Пендри и др. в 1996 году; Пендри предположил, что периодическая решетка тонких металлических проволок радиусом 1 мкм может использоваться для поддержки поверхностно-связанных мод с граничной частотой плазмы 8,2 ГГц. [4] В 2004 году Пендри и др. расширили подход на металлические поверхности, которые перфорированы отверстиями, назвав искусственные возбуждения SPP «обманными поверхностными плазмонами». [5] [6]

В 2006 году распространение терагерцовых импульсов в плоских металлических структурах с отверстиями было показано с помощью моделирования FDTD . [8] Мартин-Кано и др. реализовали пространственную и временную модуляцию управляемых терагерцовых мод с помощью металлических параллелепипедных структур, которые они назвали « домино- плазмонами». [9] Дизайнерские обманные плазмонные структуры также были адаптированы для улучшения производительности терагерцовых квантовых каскадных лазеров в 2010 году. [10]

Ложные поверхностные плазмоны были предложены в качестве возможного решения для уменьшения перекрестных помех в микроволновых интегральных схемах , линиях передачи и волноводах . [2] В 2013 году Ма и др. продемонстрировали согласованное преобразование из копланарного волновода с характеристическим импедансом 50 Ом в обманную плазмонную структуру. [11] В 2014 году была реализована интеграция коммерческого малошумящего усилителя с обманными плазмонными структурами; как сообщается, система работала от 6 до 20 ГГц с усилением около 20 дБ . [12] Кианинежад и др. также сообщили о разработке медленной волновой обманной плазмонной линии передачи; также было продемонстрировано преобразование из квази- TEM микрополосковых мод в обманные TM плазмонные моды. [13]

Ханикаев и др. сообщили о невзаимных поверхностных плазмонных модах обмана в структурированном проводнике, встроенном в асимметричную магнитооптическую среду, что приводит к односторонней передаче. [14] Пан и др. наблюдали отклонение определенных плазмонных мод обмана при введении электрически резонансных метаматериальных частиц в плазмонную полосу обмана. [15] Локализованные поверхностные плазмоны обмана были также продемонстрированы для металлических дисков в микроволновых частотах. [16] [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Гарсия-Видаль, Франсиско Х.; Фернандес-Домингес, Антонио И.; Мартин-Морено, Луис; Чжан, Хао Чи; Тан, Вэньсюань; Пэн, Жувэнь; Цуй, Тие Цзюнь (2022). «Обманная поверхностная плазмонная фотоника». Обзоры современной физики . 04 (2): 025004. Bibcode : 2022RvMP...94b5004G. doi : 10.1103/RevModPhys.94.025004. hdl : 10261/280707 . S2CID  248954068.
  2. ^ ab Tang, Wen Xuan; Zhang, Hao Chi; Ma, Hui Feng; Jiang, Wei Xiang; et al. (4 января 2019 г.). «Концепция, теория, конструкция и применение обманных поверхностных плазмонных поляритонов на микроволновых частотах». Advanced Optical Materials . 7 (1): 1800421. doi : 10.1002/adom.201800421 .
  3. ^ ab Maier, Stefan A. (2007). Плазмоника: основы и применение . Нью-Йорк: Springer Publishing . ISBN 978-0-387-33150-8.
  4. ^ abcd Pendry, JB ; Holden, AJ; Stewart, WJ; Youngs, I. (июнь 1996 г.). "Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures". Physical Review Letters . 46 (25): 4773– 4776. Bibcode :1996PhRvL..76.4773P. doi :10.1103/PhysRevLett.76.4773. PMID  10061377.
  5. ^ ab Pendry, JB ; Martín-Moreno, L.; Garcia-Vidal, FJ (6 августа 2004 г.). «Имитация поверхностных плазмонов с помощью структурированных поверхностей». Science . 305 (5685): 847– 848. Bibcode :2004Sci...305..847P. doi : 10.1126/science.1098999 . PMID  15247438. S2CID  44412157.
  6. ^ ab Garcia-Vidal, FJ; Martín-Moreno, L.; Pendry, JB (январь 2005 г.). "Поверхности с отверстиями в них: новые плазмонные метаматериалы". Journal of Optics A . 7 (2): S97 – S101 . Bibcode :2005JOptA...7S..97G. doi :10.1088/1464-4258/7/2/013.
  7. ^ Лю, Сяоюн; Фэн, Ицзюнь; Чжу, Бо; Чжао, Цзюньмин; Цзян, Тянь (февраль 2016 г.). «Обратная обманная поверхностная волна в плазмонном метаматериале сверхтонкой металлической структуры». Scientific Reports . 6 (6): 20448. Bibcode :2016NatSR...620448L. doi : 10.1038/srep20448 . PMC 4740866 . PMID  26842340. 
  8. ^ Майер, Стефан А.; Эндрюс, Стив Р. (июнь 2006 г.). «Распространение терагерцовых импульсов с использованием плазмон-поляритон-подобных поверхностных мод на структурированных проводящих поверхностях». Applied Physics Letters . 88 (25): 251120. Bibcode : 2006ApPhL..88y1120M. doi : 10.1063/1.2216105.
  9. ^ Мартин-Кано, Д.; Нестеров, М.Л.; Фернандес-Домингес, А.И.; Гарсия-Видаль, Ф.Дж.; Мартин-Морено, Л.; Морено, Эстебан (2010). «Плазмоны домино для терагерцовых схем субволнового диапазона». Optics Express . 18 (2): 754– 764. arXiv : 0911.4525 . Bibcode : 2010OExpr..18..754M. doi : 10.1364/OE.18.000754. hdl : 10261/47867 . PMID  20173896. S2CID  2299072.
  10. ^ Юй, Наньфан; Ван, Ци Цзе; Кац, Михаил А.; Капассо, Федерико ; и др. (август 2010 г.). «Конструкторские имитационные структуры поверхностных плазмонов коллимируют терагерцовые лазерные лучи». Nature Materials . 9 (9): 730– 735. Bibcode : 2010NatMa...9..730Y. doi : 10.1038/nmat2822. PMID  20693995.
  11. ^ Ma, Hui Feng; Shen, Xiaopeng; Cheng, Qiang; Jiang, Wei Xiang; et al. (Ноябрь 2013 г.). «Широкополосное и высокоэффективное преобразование из направляемых волн в обманные поверхностные плазмонные поляритоны». Laser & Photonics Reviews . 8 (1): 146– 151. doi :10.1002/lpor.201300118. S2CID  120708454.
  12. ^ Чжан, Хао Чи; Лю, Шуо; Шэнь, Сяопэн; Чэнь, Линь Хуэй; и др. (ноябрь 2014 г.). «Широкополосное усиление обманных поверхностных плазмонных поляритонов на микроволновых частотах». Laser & Photonics Reviews . 9 (1): 83– 90. doi :10.1002/lpor.201400131. S2CID  118667968.
  13. ^ Kianinejad, Amin; Chen, Zhi Ning; Qiu, Cheng-Wei (июнь 2015 г.). «Проектирование и моделирование линии передачи микроволнового излучения на основе ложных поверхностных плазмонных мод». Труды IEEE по теории и технике микроволнового излучения . 63 (6): 1817– 1825. Bibcode : 2015ITMTT..63.1817K. doi : 10.1109/TMTT.2015.2422694. S2CID  16388137.
  14. ^ Ханикаев, Александр Б.; Мусави, С. Хоссейн; Швец, Геннадий; Кившарь, Юрий С. (сентябрь 2010 г.). "Односторонняя необычная оптическая передача и невзаимные обманные плазмоны". Physical Review Letters . 105 ( 12– 17): 126804. Bibcode :2010PhRvL.105l6804K. doi :10.1103/PhysRevLett.105.126804. PMID  20867667.
  15. ^ Pan, Bai Cao; Liao, Zhen; Zhao, Jie; Cui, Tie Jun (2014). «Управление отторжением обманных поверхностных плазмонных поляритонов с использованием метаматериальных частиц». Optics Express . 22 (11): 13940– 13950. Bibcode : 2014OExpr..2213940P. doi : 10.1364/OE.22.013940 . PMID  24921585.
  16. ^ Шэнь, Сяопэн; Цуй, Те Цзюнь (январь 2014 г.). «Ультратонкий плазмонный метаматериал для имитации локализованных поверхностных плазмонов». Laser & Photonics Reviews . 8 (1): 137– 145. Bibcode : 2014LPRv....8..137S. doi : 10.1002/lpor.201300144. S2CID  118085394.
  17. ^ Huidobro, Paloma A.; Shen, Xiaopeng; Cuerda, J.; Moreno, Esteban; et al. (апрель 2014 г.). "Магнитные локализованные поверхностные плазмоны". Physical Review X. 4 ( 2): 021003. Bibcode : 2014PhRvX...4b1003H. doi : 10.1103/PhysRevX.4.021003 . hdl : 10044/1/42421 .

Дальнейшее чтение

Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Spoof_surface_plasmon&oldid=1193876999"