Parodi ytplasmon

Parodisytplasmoner , även kända som spoofytplasmonpolaritoner och designerytplasmoner , är elektromagnetiska ytvågor i mikrovågs- och terahertzregimer som fortplantar sig längs plana gränssnitt med teckenskiftande permittiviteter . Spoofyteplasmoner är en typ av ytplasmonpolariton , som vanligtvis utbreder sig längs metall- och dielektriska gränssnitt i infraröda och synliga frekvenser. Eftersom ytplasmonpolaritoner inte kan existera naturligt i mikrovågs- och terahertzfrekvenser på grund av spridningsegenskaper , kräver förfalskade ytplasmoner användningen av artificiellt framställda metamaterial .

Spoofyteplasmoner delar de naturliga egenskaperna hos ytplasmonpolaritoner, såsom dispersionsegenskaper och subvåglängdsfältinneslutning. De teoretiserades först av John Pendry et al.

Teori

SPP-oscillation mellan ett metall-dielektriskt gränssnitt

Ytplasmonpolaritoner (SPP) är resultatet av kopplingen av delokaliserade elektronoscillationer (" ytplasmon ") till elektromagnetiska vågor (" polariton "). SPP:er fortplantar sig längs gränssnittet mellan ett material med positiv och negativ permittivitet. Dessa vågor avtar vinkelrätt från gränssnittet (" evanescent field "). För ett plasmoniskt medium som är stratifierat längs z-riktningen i kartesiska koordinater , kan dispersionsrelationen för SPP erhållas genom att lösa Maxwells ekvationer :

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

var

$k_{x}$ är vågvektorn som är parallell med gränssnittet. Det är i utbredningsriktningen .
$\omega$ är vinkelfrekvensen .
$c$ är ljusets hastighet .
$\varepsilon _{1}$ och $\varepsilon _{2}$ är de relativa permittiviteterna för metall och dielektrikum.

Enligt denna relation har SPP kortare våglängder än ljus i fritt utrymme för ett frekvensband under ytans plasmonfrekvens; denna egenskap, såväl som subvåglängdsbegränsning, möjliggör nya tillämpningar inom subvåglängdsoptik och system bortom diffraktionsgränsen . Ändå, för lägre frekvensband som mikrovågsugn och terahertz, stöds inte ytplasmonpolaritonlägen; metaller fungerar ungefär som perfekta elektriska ledare med imaginära dielektriska funktioner i denna regim. Enligt den effektiva mediummetoden kan metallytor med subvåglängds strukturella element efterlikna plasmabeteendet, vilket resulterar i artificiella ytplasmonpolaritonexcitationer med liknande dispersionsbeteende.

För det kanoniska fallet med ett metamaterialmedium som bildas av tunna metalltrådar på ett periodiskt kvadratiskt gitter , kan den effektiva relativa permittiviteten representeras av Drude-modellens formel:

\varepsilon _{eff}=1-{\frac {\omega _{p}^{ 2}}{\omega \left(\omega +i{\frac {\varepsilon _{0}a^{2}\omega _{p}^{2}}{\pi r^{2}\sigma } }\right)}}

\omega _{p}^{2}={\frac {2\pi c^{2} }{a^{2}ln(a/r)}}

var

${\displaystyle \omega _{p}} är$ mediets effektiva plasmafrekvens .
$\varepsilon _{0}$ är vakuumpermittiviteten .
$a$ är gitterperioden.
$r$ är radien för de konstitutiva trådarna.
$\sigma$ är metallens elektriska ledningsförmåga .

Metoder och tillämpningar

Simulering av plasmonförökning av spoofyta genom ett bakåtvågsmetamaterial i mikrovågsregimen

Användningen av subvåglängdsstrukturer för att inducera lågfrekventa plasmoniska excitationer teoretiserades först av John Pendry et al. 1996; Pendry föreslog att ett periodiskt gitter av tunna metalltrådar med en radie på 1 μm skulle kunna användas för att stödja ytbundna lägen, med en plasmagränsfrekvens på 8,2 GHz. År 2004, Pendry et al. utökade tillvägagångssättet till metallytor som är perforerade av hål, och kallade de artificiella SPP-excitationerna som "spoofyteplasmoner."

2006 visades terahertz-pulsutbredning i plana metalliska strukturer med hål via FDTD- simuleringar. Martin-Cano et al. har insett den rumsliga och tidsmässiga moduleringen av guidade terahertz-moder via metalliska parallellepipedstrukturer , som de kallade " dominoplasmoner ." Designer-spoof-plasmoniska strukturer skräddarsyddes också för att förbättra prestandan hos terahertz kvantkaskadlasrar 2010.

Spoofyteplasmoner föreslogs som en möjlig lösning för att minska överhörningen i integrerade mikrovågskretsar , transmissionsledningar och vågledare . År 2013, Ma et al. visade en matchad omvandling från coplanar vågledare med en karakteristisk impedans på 50Ω till en spoof-plasmonisk struktur. Under 2014 realiserades integration av kommersiell lågbrusförstärkare med falska plasmoniska strukturer; systemet enligt uppgift fungerade från 6 till 20 GHz med en förstärkning på runt 20 dB . Kianinejad et al. rapporterade också utformningen av en långsam-våg spoof-plasmonisk transmissionslinje; konvertering från kvasi -TEM- mikrostrip- lägen till TM- parodiplasmon-lägen demonstrerades också.

Khanikaev et al. rapporterade icke-reciproka förfalskade ytplasmonlägen i strukturerad ledare inbäddad i ett asymmetriskt magneto-optiskt medium, vilket resulterar i envägsöverföring. Pan et al. observerade avvisandet av vissa spoof-plasmon-moder med introduktion av elektriskt resonanta metamaterialpartiklar till spoof-plasmonremsan. Lokaliserade förfalskade ytplasmoner demonstrerades också för metalliska skivor i mikrovågsfrekvenser.

Se även

Vidare läsning

Huidobro, Paloma Arroyo; Fernández-Domínguez, Antonio I.; Pendry, John B. ; Martín-Moreno, Luis; Garcia-Vidal, Francisco J. (januari 2018). Spoof Surface Plasmon Metamaterials . Cambridge University Press . doi : 10.1017/9781108553445 . ISBN 9781108553445 . S2CID 139524223 .