Образец для цитирования:
Давидович М. В. Плазмон-поляритоны вдоль поверхности асимметричного гиперболического метаматериала // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2019. Т. 19, вып. 4. С. 288-303. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-4-288-303
Плазмон-поляритоны вдоль поверхности асимметричного гиперболического метаматериала
Рассмотрены плазмон-поляритоны вдоль поверхности гиперболического метаматериала и вдоль слоя из него, распространяющиеся в плоскости оси анизотропии (ось в плоскости поляризации составляет произвольный угол с направлением распространения). Использован строгий подход на основе уравнений Максвелла. Параметры гиперболического метаматериала в виде тензора эффективной диэлектрической проницаемости определены путем гомогенизации. Диэлектрическая проницаемость металлических слоев определена по модели Друде–Лоренца. Изменение оси производится с использованием матрицы поворота системы координат, при этом соответствующим образом преобразуется тензор эффективной диэлектрической проницаемости. Рассмотрена возможность использования графеновых слоев с проводимостью листа графена на основе модели Кубо. Найдены условия существования быстрых, медленных, втекающих, вытекающих, прямых и обратных плазмон-поляритонов. Обратным плазмонам соответствует волна, в которой фазовая скорость противоположна скорости переноса энергии. Классификация волн произведена как на основе вычисления вектора Пойнтинга, так и путем решения дисперсионного уравнения и определения знаков действительной и мнимой частей постоянной распространения. Получены формулы Френеля для дифракции плоской волны произвольной поляризации на такой структуре. Применены методы аналитического и численного решения дисперсионных уравнений. Получены частные аналитические решения дисперсионных уравнений. Найден новый тип обратных плазмон-поляритонов, распространяющийся вдоль плоской границы массивного образца гиперболического метаматериала с вакуумом, не существующий для сплошного металлического образца. Рассмотрена возможность управления дисперсией путем приложения внешнего магнитного поля, а также возможность усиления плазмон-поляритонов в волноводах из метаматериала с оптически накачанными листами графена, а также при дифракции на плоскослоистых структурах.
1. Guo Y., Newman W., Cortes C. L., Jacob Z. Applications of hyperbolic metamaterial substrates // Advances in OptoElectronics. 2012. Article ID 452502 (9 p.). DOI: https://doi.org/10.1155/2012/452502
2. Guo Y., Jakob Z. Thermal hyperbolic metamaterials // Opt. Express. 2013. Vol. 21. P. 15014–15019.
3. Cortes C. L., Newman W., Molesky S., Jacob Z. Quantum nanophotonics using hyperbolic metamaterials // Journal of Optics. 2012. Vol. 14. 063001 (15 p.).
4. Guo Y., Cortes C., Molesky S., Jakob Z. Broadband super-Planckian thermal emission from hyperbolic metamaterials // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101. 131106 (5 p.).
5. Poddubny А., Iorsh I., Belov P., Kivshar Yu. Hyperbolic metamaterials // Nat. Photonics. 2013. Vol. 7 (12). P. 948–957.
6. Noginov M., Lapine M., Podolskiy V., Kivshar Yu. Focus issue : hyperbolic metamaterials // Optics Express. 2013. Vol. 21(12). P. 14895–14897.
7. Drachev V. P., Podolskiy V. A., Kildishev A. V. Hyperbolic metamaterials: new physics behind a classical problem // Optics Express. 2013. Vol. 21, iss. 12. P. 15048–1564.
8. Shekhar P., Atkinson J., Zubin J. Hyperbolic metamaterials: fundamentals and applications // Nano Convergence. 2014. Vol. 1, № 1. P. 1–16.
9. Kidwai O., Zhukovsky S. V., Sipe J. E. Effective-medium approach to planar multilayer hyperbolic metamaterials : Strengths and limitations // Phys. Rev. А. 2012. Vol. 85. 053842 (11 p.).
10. Zhukovsky S. V., Kidwai O., Sipe J. E. Physical nature of volume plasmon polaritons in hyperbolic metamaterials // Optics Express. 2013. Vol. 21, iss. 12. P. 14982–14987.
11. Zapata-Rodriguez C. J., Miret J. J., Vukovic S., Belic M. R. Engineered surface waves in hyperbolic metamaterials // Opt. Express. 2013. Vol. 21, № 16. P. 19113–19127.
12. Nefedov I. S., Valagiannopoulos C. A., Hashemi S. M., Nefedov E. I. Total absorption in asymmetric hyperbolic media // Scientifi c Reports. 2013. Vol. 3. 2662 (4 p.).
13. Nefedov I. S., Melnikov L. A. Super-Planckian farzone thermal emission from asymmetric hyperbolic metamaterials // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 105, № 16. 161902 (5 p.).
14. Давидович М. В., Нефедов И. С. Пространственно-временная дисперсия и волноведущие свойства 2D-периодических стержневых металлических фотонных кристаллов // ЖЭТФ. 2014. Т. 145, № 5. С. 771–786.
15. Ferrari L., Wu C. H., Lepage D., Zhang X., Liu Z. W. Hyperbolic metamaterials and their applications // Prog. Quantum Electron. 2015. Vol. 40. P. 1–40. DOI: https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2014.10.001
16. Давидович М. В. Анализ плазмонов и гомогенизация в плоскослоистых фотонных кристаллах и гиперболических метаматериалах // ЖЭТФ. 2016. Т. 160, вып. 6. С. 1069–1083.
17. Li T., Khurgin J. B. Hyperbolic metamaterials : beyond the effective medium theory // Optica. 2016. Vol. 3, iss. 12. P. 1388–1396.
18. Kristina K. H., Sreekanth K. V., Strangl G. Dye-embedded and nanopatterned hyperbolic metamaterials for spontaneous emission rate enhancement // Journal of the Optical Society of America B. 2016. Vol. 33, № 6. 1038 (6 p.).
19. Peragut F., Cerutti L., Baranov A., Hugonin J. P., Taliercio T., De Wilde Y., Greffet J. J. Hyperbolic metamaterials and surface plasmon polaritons // Optica. 2017. Vol. 4, iss. 11. P. 1409–1415.
20. Ferrari L., Smalley J. S. T., Fainman Y., Liu Z. Hyperbolic metamaterials for dispersion-assisted directional light emission // Nanoscale. 2017. Vol. 9, № 26. P. 9034–9048.
21. Давидович М. В. Гиперболическая среда из проволочек конечной длины // ЖЭТФ. 2018. Т. 154, вып. 1 (7). С. 5–25.
22. Boardman A. D., Alberucci A., Assanto G., Grimalsky V. V., Kibler B., McNiff J., Nefedov I. S., Rapoport Yu. G., Valagiannopoulos C. A. Waves in hyperbolic and double negative metamaterials including rogues and solitons // Nanotechnology. 2017. Vol. 28. 444001 (41 p.).
23. Alù A., Silveirinha M. G., Salandrino A., Engheta N. Epsilon-Near-Zero (ENZ) Metamaterials and Electromagnetic Sources : Tailoring the Radiation Phase Pattern // Phys. Rev. B. 2007. Vol. 75. 155410 (13 p.).
24. Вайнштейн Л. А. Электромагнитные волны. М. : Радио и связь, 1988. 440 c.
25. Давидович М. В. Плазмоны в многослойных плоскослоистых структурах // Квантовая электроника. 2017. Т. 47, № 6. С. 567–579.
26. Davidovich M. V. Backward and forward plasmons in symmetric structures // Proc. SPIE. 2018. Vol. 10717. 1071714 (6 p.). DOI: https://doi.org/10.1117/12.2306067
27. Давидович М. В. Об условии перехода быстрой поверхностной волны в медленную // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63, № 6. С. 499–506.
28. Davidovich M. V. Backward plasmon-polaritons in multilayered dissipative structures // Proc. SPIE. 2019. Vol. 11066. 110660V (6 p.). DOI: https://doi.org/10.1117/12.2521632
29. Давидович М. В. Дисперсия поверхностных плазмонов в структурах с проводящей пленкой // Оптика и спектроскопия. 2019. Т. 126, № 3. С. 360–369.
30. Hanson G. W. Dyadic Green’s functions and guided surface waves for a surface conductivity model of graphene // J. Appl. Phys. 2008. Vol. 103. 064302 (8 p.).
31. Falkovsky L. A., Varlamov A. A. Space-time dispersion of graphene conductivity // Eur. Phys. J. 2007. Vol. B 56. P. 281‒284.
32. Lovat G., Hanson G. W., Araneo R., Burghignoli P. Semiclassical spatially dispersive intraband conductivity tensor and quantum capacitance of graphene // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 87. 115429 (11 p.).
33. Dubinov A. A., Aleshkin V. Y., Mitin V., Otsuji T., Ryzhii V. Terahertz surface plasmons in optically pumped graphene structures // J. Phys. : Condens. Matter. 2011. Vol. 23. 145302 (8 p.).
34. Iorsh I. V., Mukhin I. S., Shadrivov I. V., Belov P. A., Kivshar Y. S. Hyperbolic metamaterials based on multilayer graphene structures // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 87. 075416 (6 p.).
35. Козина О. Н., Мельников Л. А. Оптические характеристики асимметричного гиперболического материала // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2019. Т. 19, вып. 2. С. 122–131. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-2-122-131
36. Davidovich M. V. Amplifi cation of optical and THZ surface plasmon-polaritons by electron beams // Proc. SPIE. 2019. Vol. 11066. 1106614 (11 p.). DOI: https://doi.org/10.1117/12.2521234
37. Ляшко Е. И., Маймистов А. И. Линейные направленные волны в гиперболическом планарном волноводе. Дисперсионные соотношения // Квантовая электроника. 2015. Т. 45, № 11. С. 1050–1054.
38. Ляшко Е. И., Маймистов А. И. Моды нелинейного планарного волновода с диэлектрическим слоем, погруженным в гиперболическую среду // Квантовая электроника. 2017. Т. 47, № 11. С. 1053–1063.
