極薄金属構造のプラズモンメタマテリアルにおける逆向きのスプーフィング表面波

Jun 22, 2024

Scientific Reports volume 6、記事番号: 20448 (2016) この記事を引用

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メトリクスの詳細

逆平行の位相と群速度を持つ後進波は、フォトニック メタマテリアルの文脈で大きな関心を集めている負の屈折と副回折像に関連する基本特性の 1 つです。 一部のプラズモニック構造は表面プラズモンポラリトン（SPP）の逆方向波動伝播もサポートできることが理論的に予測されていますが、私たちの知る限り、直接的な実験による実証は報告されていません。 この論文では、後方スプーフ SPP 波伝播をサポートできる、波形金属ストリップの特別に設計されたプラズモニック メタマテリアルが提案されています。 プラズモニックメタマテリアル導波路の分散解析、完全な電磁場シミュレーション、透過測定により、負の傾きと群速度と位相速度の反対方向を持つ分散関係による逆方向波伝播が明確に検証されました。 さらなる検証と応用として、異なる動作周波数でマイクロ波信号を反対側の端子にルーティングできる逆方向性結合器が設計およびテストされ、マイクロ波およびテラヘルツ放射用の統合機能デバイスおよび回路におけるプラズモンメタマテリアルの新たな応用機会が示されています。

逆方向電磁波 (EM) は通常、位相と群速度が逆方向に伝播する波として定義されます1。 過去 10 年間、メタマテリアル、特に負の誘電率と透磁率を同時に持つ左手系またはダブルネガティブ メタマテリアルの文脈でかなりの注目を集めてきました 2,3。 後方波はメタマテリアルに関連する重要な特有の特性の 1 つであり、負の屈折 3 の基礎を形成し、明白な可能性を秘めて回折限界を克服する光学解像度の達成を目指す完全レンズ 4,5 やハイパーレンズ 6,7 などの他の興味深い現象の基礎となります。光学イメージングおよびリソグラフィー用。 逆方向波は、左手系メタマテリアルの回路アナロジー、つまり左手系伝送線路 8,9 においてもよく実証されており、多くの新しい EM コンポーネントやアンテナ概念 10 で利用されています。

表面プラズモン ポラリトン (SPP) は、光周波数で誘電体と金属の界面に沿って伝播する表面 EM 波です11、12。 SPP は、サブ波長スケールへの強力な電界閉じ込めと、その結果として誘電体と金属の界面での電界強化により、回折限界 13 の克服と、光の波長より小さいスケールの光集積回路およびデバイスの小型化につながる可能性があります 14、15、16。 。 誘電体と金属の界面上の SPP 波の場合、EM 波は誘電体の内部では前方に進みますが、負の誘電率を持つ金属の内部では後方に進みます 17。 ただし、エネルギーの大部分は誘電体中を流れ、SPP 波の最終的な挙動は順波になります。 SPP の逆方向波伝播を調査するために多くの理論的研究が行われ、適切に設計された 3 層導波路、金属 - 絶縁体 - 金属 (MIM) または絶縁体 - 金属 - 絶縁体 (IMI) 構造が、逆方向伝播または負のインデックス モード18、22。 このような MIM 導波路では興味深い負の屈折が実験的に示されていますが 23、明確な逆平行位相と群速度を備えたプラズモニック導波路における逆方向 SPP 波の直接的な実証はまだ不足しています。 これは、SPP の強い減衰特性により、これらのプラズモニック導波路の伝播長がほんの数波長になることに起因すると考えられます 20、22。

金属は基本的に、遠赤外線におけるプラズマ周波数​​以下では完全な導電体として振る舞うため、SPP をより低い周波数に直接調整することはできません。 SPP波のサブ波長スケールでの高い場の閉じ込めと増強を利用するために、サブ波長スケールの波形またはディンプルでテクスチャ加工された金属表面からなるプラズモニックメタマテリアルが提案されており、その表面プラズモン周波数は、その表面プラズモン周波数がその幾何学的パラメータによって調整可能である。構造24、25、26、27、28、29、30、31、32、33。 これらのいわゆる「スプーフ」または「デザイナー」SPP は、光 SPP と同様の分散関係およびフィールド特性を備えていますが、マイクロ波またはテラヘルツ領域までのより低い周波数で動作します。 最近、より実用的な構造である極薄波形金属ストリップが、任意の曲面上で等角表面プラズモン（CSP）を伝播させることが提案されており 34、これはマイクロ波およびテラヘルツ周波数における SPP デバイスおよび回路アプリケーションの潜在的な候補であることが証明されています 35,36 、37、38。