Spoof overflate plasmon - Spoof surface plasmon

Spoof overflate plasmons , også kjent som spoof overflate plasmon polaritons , er overflate elektromagnetiske bølger i mikrobølgeovn og terahertz regimer som forplanter seg langs plane grensesnitt med skiftende permittiviteter . Spoof overflate plasmons er en type overflate plasmon polariton , som vanligvis forplanter seg langs metall og dielektriske grensesnitt i infrarøde og synlige frekvenser. Siden overflate plasmon polaritons ikke kan eksistere naturlig i mikrobølgeovn og terahertz frekvenser på grunn av dispersjonsegenskaper av metaller, krever spoof overflateplasmoner bruk av kunstig konstruerte metamaterialer .

Spoof overflate plasmons deler de naturlige egenskapene til overflate plasmon polaritons, slik som dispersjonsegenskaper og subwavelength felt inneslutning. De ble først teoretisert av John Pendry et al.

Teori

SPP-svingning mellom et metall-dielektrisk grensesnitt

Overflateplasmon polaritons (SPP) skyldes kobling av delokaliserte elektronoscillasjoner (" overflateplasmon ") til elektromagnetiske bølger (" polariton "). SPP forplanter seg langs grensesnittet mellom et materiale med positiv og negativ permittivitet. Disse bølgene forfaller vinkelrett fra grensesnittet (" evanescent field "). For et plasmonisk medium som er stratifisert langs z-retningen i kartesiske koordinater , kan dispersjonsforhold for SPP oppnås ved å løse Maxwells ligninger :

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

hvor

• ${\ displaystyle k_ {x}}$ er bølgevektoren som er parallell med grensesnittet. Det er i retning av forplantning .
• ${\ displaystyle \ omega}$ er vinkelfrekvensen .
• ${\ displaystyle c}$ er lysets hastighet .
• ${\ displaystyle \ varepsilon _ {1}}$ og er tillatelsene for metall og dielektrikum. ${\ displaystyle \ varepsilon _ {2}}$

I denne sammenhengen har SPPs kortere bølgelengder enn lys i ledig plass for et frekvensbånd under overflatens plasmonfrekvens; denne egenskapen, samt subwavelength inneslutning, muliggjør nye applikasjoner i subwavelength optikk og systemer utenfor diffraksjon-grensen . Likevel, for lavere frekvensbånd som mikrobølgeovn og terahertz, støttes ikke overflateplasmon polariton-modus; metaller fungerer omtrent som perfekte elektriske ledere med imaginære dielektriske funksjoner i dette regimet. Per den effektive medium tilnærming, metalloverflater med Subwavelength strukturelle elementer kan etterligne den plasma oppførsel, noe som resulterer i kunstige overflate-plasmon polariton eksiteringer med lignende dispersjon oppførsel.

Metoder og applikasjoner

Spill av media

Simulering av falsk overflate plasmon forplantning gjennom en bakoverbølge metamaterial i mikrobølge  regime

Bruken av subbølgelengdestrukturer for å indusere lavfrekvente plasmoniske eksitasjoner ble først teoretisert av John Pendry et al. i 1996; Pendry foreslo at et periodisk gitter av tynne metalltråder med en radius på 1 mikrometer kunne brukes til å støtte overflatebundne moduser, med en plasmaavskjæringsfrekvens på 8,2 GHz. I 2004, Pendry et al. utvidet tilnærmingen til metalloverflater som er perforerte av hull, og betegner de kunstige SPP-eksitasjonene som "spoof overflate plasmons."

I 2006 ble terahertz pulsforplantning i plane metallstrukturer med hull vist via FDTD- simuleringer. Martin-Cano et al. har forstått den romlige og tidsmessige moduleringen av guidede terahertz-moduser via metalliske parallellpipede strukturer, som de kalte " domino plasmons." Designer spoof plasmoniske strukturer ble også skreddersydd for å forbedre ytelsen til terahertz quantum cascade lasers i 2010.

Spoof overflateplasmoner ble foreslått som en mulig løsning for å redusere krysstale i mikrobølgeovn integrerte kretser , overføringslinjer og bølgeledere . I 2013, Ma et al. demonstrerte en matchet konvertering fra coplanar bølgeleder med en karakteristisk impedans på 50Ω til en spoof-plasmonisk struktur. I 2014 ble integrering av kommersiell støysvak forsterker med falske plasmoniske strukturer realisert; systemet arbeidet angivelig fra 6 til 20 GHz med en forsterkning på rundt 20 dB . Kianinejad et al. rapporterte også utformingen av en langsombølget spoof-plasmonisk overføringslinje; konvertering fra kvasi- TEM microstrip modi til TM spoof plasmon modus ble også demonstrert.

Khanikaev et al. rapporterte ikke-gjensidig spoof-overflateplasmonmodus i strukturert leder innebygd i et asymmetrisk magneto-optisk medium, noe som resulterer i enveisoverføring. Pan et al. observerte avvisning av visse parodi-plasmonmodi med en introduksjon av elektrisk resonans-metamateriale-partikler til parodi-plasmonstrimmelen. Lokaliserte spoof overflate plasmoner ble også demonstrert for metalliske skiver i mikrobølge frekvenser.

Se også

• Fotonisk krystall
• Plasmonisk metamateriale
• Split-resonator
• Superlens
• Terahertz metamateriale

Referanser

Videre lesning

• Huidobro, Paloma Arroyo; Fernández-Domínguez, Antonio I .; Pendry, John B .; Martín-Moreno, Luis; Garcia-Vidal, Francisco J. (januar 2018). Spoof Surface Plasmon Metamaterials . Cambridge University Press . doi : 10.1017 / 9781108553445 . ISBN   9781108553445 .