Обратная ложная поверхностная волна в плазмонном метаматериале сверхтонкой металлической структуры

Jun 22, 2024

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 20448 (2016) Цитировать эту статью

2587 Доступов

37 цитат

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Обратная волна с антипараллельными фазовой и групповой скоростями является одним из основных свойств, связанных с отрицательным преломлением и субдифракционным изображением, которые вызвали значительный интерес в контексте фотонных метаматериалов. Теоретически было предсказано, что некоторые плазмонные структуры могут также поддерживать распространение обратной волны поверхностных плазмонных поляритонов (ППП), однако, насколько нам известно, о прямой экспериментальной демонстрации не сообщалось. В этой статье был предложен специально разработанный плазмонный метаматериал из гофрированной металлической полосы, который может поддерживать обратное распространение волн SPP. Дисперсионный анализ, полное моделирование электромагнитного поля и измерение пропускания волновода из плазмонного метаматериала четко подтвердили распространение обратной волны с дисперсионным уравнением, имеющим отрицательный наклон и противоположные направления групповой и фазовой скоростей. В качестве дальнейшей проверки и применения разработан и протестирован встречный ответвитель, который может направлять микроволновый сигнал на противоположные терминалы на разных рабочих частотах, что указывает на новые возможности применения плазмонного метаматериала в интегрированных функциональных устройствах и схемах для микроволнового и терагерцового излучения.

Обратная электромагнитная (ЭМ) волна обычно определяется как волна, распространяющаяся с противоположными направлениями своей фазовой и групповой скоростей1. В последнее десятилетие он привлек значительное внимание в контексте метаматериалов, особенно левых или дважды отрицательных метаматериалов с одновременно отрицательной диэлектрической проницаемостью и проницаемостью2,3. Обратная волна является одним из важных особенностей метаматериалов, которое формирует основу отрицательной рефракции3 и лежит в основе других интересных явлений, таких как идеальные линзы4,5 или гиперлинзы6,7, целью которых является достижение оптического разрешения, преодолевающего дифракционный предел с очевидным потенциалом. для оптической визуализации и литографии. Обратная волна также была хорошо продемонстрирована в схемотехнической аналогии левых метаматериалов — левых линий передачи8,9 и использовалась во многих новых электромагнитных компонентах или концепциях антенн10.

Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) представляют собой поверхностные ЭМ волны, распространяющиеся вдоль границы раздела диэлектрик-металл на оптических частотах11,12. Благодаря сильному ограничению поля субволновым масштабом и, как следствие, усилению поля на границе раздела диэлектрик-металл, SPP могут привести к преодолению дифракционного предела13 и созданию миниатюрных оптических интегральных схем и устройств с масштабами меньше длины волны света14,15,16 . Для волны ППП на границе раздела диэлектрик-металл ЭМ волна движется вперед внутри диэлектрика, но назад внутри металла, имеющего отрицательную диэлектрическую проницаемость17. Однако большая часть энергии течет в диэлектрике, что делает чистое поведение волны SPP прямой волной. Было проведено множество теоретических исследований по изучению распространения обратной волны в SPP, которые показывают, что правильно спроектированный трехслойный волновод, либо структура металл-изолятор-металл (MIM), либо структура изолятор-металл-изолятор (IMI), может поддерживать обратное распространение или режим отрицательного индекса18,22. Хотя интересное отрицательное преломление было экспериментально проиллюстрировано в таком волноводе MIM23, прямая демонстрация обратной волны SPP в плазмонном волноводе с четкими антипараллельными фазовыми и групповыми скоростями все еще отсутствует. Это можно объяснить сильным затуханием SPP, что приводит к длине распространения всего лишь нескольких длин волн в этих плазмонных волноводах20,22.

SPP нельзя напрямую масштабировать до более низких частот, поскольку металл по своей сути ведет себя как идеальный электрический проводник ниже своей плазменной частоты в дальнем инфракрасном диапазоне. Чтобы использовать ограничение и усиление сильного поля в субволновом масштабе волны SPP, были предложены плазмонные метаматериалы, состоящие из металлической поверхности, текстурированной с гофрами или ямочками субволнового масштаба, поверхностная плазмонная частота которых может быть адаптирована с помощью геометрических параметров структуры24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Эти так называемые «подделки» или «дизайнерские» СПП обладают такими же дисперсионными соотношениями и полевыми свойствами, что и оптические СПП, но работают на более низких частотах, вплоть до микроволнового или терагерцового режимов. Недавно была предложена более практичная структура — ультратонкая гофрированная металлическая полоска для распространения конформных поверхностных плазмонов (КПП) на произвольно изогнутых поверхностях34, которая оказалась потенциальным кандидатом для применения в устройствах и схемах ППП на микроволновых и терагерцовых частотах35,36. ,37,38.