Електромагнiтнi властивостi гiбридної твердотiльної структури, що включає плазмоподiбне середовище та метаповерхню
Анотація
У цiй статтi ми теоретично дослiджуємо дисперсiйнi властивостi поверхневих i об’ємно-поверхневих електромагнiтних хвиль, що поширюються в гiбриднiй шаруватiй твердотiльнiй структурi, яка мiстить iзотропну плазмонну метаповерхню. Ця структура складається з напiвнескiнченного дiелектрика 1, iзотропної метаповерхнi, дiелектричного шару 2 i напiвнескiнченного плазмоподiбного середовища (напiвпровiдника або металу). Ми виводимо точне аналiтичне дисперсiйне спiввiдношення для зв’язаних електромагнiтних мод i проводимо його детальний чисельний аналiз. Наш аналiз демонструє, що провiднiсть метаповерхнi, товщина дiелектричного шару та плазмова частота напiвпровiдника значно впливають на резонансну взаємодiю поверхневих хвиль. Було виявлено, що додавання плазмоподiбного середовища як пiдкладки призводить до появи гiбридних поверхневих хвиль та можливостi виникнення об’ємно-поверхневих хвиль. Фактично, ми виявили значну рiзницю мiж металевими та напiвпровiдниковими пiдкладками. Дiйсно, щоб отримати точно таке саме значення розщеплення в системi з металевою пiдкладкою, необхiдний дiелектричний прошарок, товщина якого приблизно в сiм разiв бiльша. Ця геометрична рiзниця робить напiвпровiдники набагато бiльш практичним вибором для глибокої субхвильової мiнiатюризацiї. Результати надають теоретичну основу для розробки та оптимiзацiї нових перебудовних хвилеводiв, датчикiв та пристроїв на повiльних хвилях, що працюють у дiапазонах мiкрохвильових та терагерцових частот.
Завантаження
Посилання
A. Ranjbar and A. Grbic, ”Broadband, Multiband, and Multifunctional All-Dielectric Metasurfaces,” Phys. Rev. Applied, 11, 054066 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.054066
D. Correas-Serrano, J. S. Gomez-Diaz, A. Alvarez-Melcon, and A. Al`u, ”Black phosphorus plasmonics: anisotropic elliptical propagation and nonlocality-induced canalization,” J. Opt., 18, 104006 (2016). https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/10/104006
J. S. Gomez-Diaz, M. Tymchenko, and A. Al`u, ”Hyperbolic Plasmons and Topological Transitions Over Uniaxial Metasurfaces,” Phys. Rev. Lett., 114, 233901 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.233901
A. A. High, R. C. Devlin, A. Dibos, M. Polking, D. S.Wild, J. Perczel, N. P. de Leon, M. D. Lukin, and H. Park, ”Visible-frequency hyperbolic metasurface,” Nature, 522, 192–196 (2015). https://doi.org/10.1038/nature14477
C. L. Holloway, E. F. Kuester, J. A. Gordon, J. O’Hara, J. Booth, and D. R. Smith, ”An overview of the theory and applications of metasurfaces: The two-dimensional equivalents of metamaterials,” IEEE Antennas Propag. Mag., 54, 10–35 (2012). https://doi.org/10.1109/MAP.2012.6230714
A. Nemilentsau, T. Low, and G. Hanson, ”Anisotropic 2D Materials for Tunable Hyperbolic Plasmonics,” Phys. Rev. Lett., 116, 066804 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.066804
P. A. D. Gonc¸alves, L. P. Bertelsen, S. Xiao, and N. A. Mortensen, ”Hybridized Plasmons in 2D Nanoslits: From Graphene to Anisotropic 2D Materials,” ACS Photonics, 4, 2645–2652 (2017). https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b00558
J. Sperrhake, M. Falkner, S. Fasold, T. Kaiser, and T. Pertsch, ”Equivalence of reflection paths of light and Feynman paths in stacked metasurfaces,” Phys. Rev. B, 102, 245108 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.245108
T. Zhan, X. Shi, Y. Dai, X. Liu, and J. Zi, ”Transfer matrix method for optics in graphene layers,” J. Phys.: Condens. Matter, 25, 215301 (2013). https://doi.org/10.1088/0953-8984/25/21/215301
I. Allayarov, V. R. Tuz, A. Cala Lesina, and A. B. Evlyukhin, ”Analytical model of metasurfaces comprising meta-atoms with anisotropic polarizabilities and for arbitrary incident angles,” Phys. Rev. B, 111, 155438 (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.155438
S. M. Kandil, D. J. Bisharat, and D. F. Sievenpiper, ”Engineering equifrequency contours of metasurfaces for self-collimated surface-wave steering,” Phys. Rev. Applied, 21, 044006 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.044006
X. Zhang, C. Bian, Z. Gong, R. Chen, T. Low, H. Chen, and X. Lin, ”Hybrid surface waves in twisted anisotropic heterometasurfaces,” Phys. Rev. Applied, 21, 064034 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.21.064034
E. M. Renzi, E. Galiffi, X. Ni, and A. Al`u, ”Hyperbolic Shear Metasurfaces,” Phys. Rev. Lett., 132, 263803 (2024). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.263803
C. Bian, X. Zhang, W. Ma, X. Chen, H. Chen, T. Low, and X. Lin, ”Antihyperbolic surface waves on hyperbolic metasurfaces,” Phys. Rev. A, 111, 033522 (2025). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.111.033522
X. Zhang, X. Cui, T. Cai, W. Cai, T. Low, H. Chen, and X. Lin, ”Scattering-free Plasmonic Brewster Effect via Metasurfaces,” ACS Photonics, 12(4), 1865–1872 (2025). https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c02263
R. Ogier, Y. Fang, M.K¨all, and M. Svedendahl, ”Near-Complete Photon Spin Selectivity in a Metasurface of Anisotropic Plasmonic Antennas,” Phys. Rev. X, 5, 041019 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevX.5.041019
S. Droulias and L. Bougas, ”Chiral sensing with achiral anisotropic metasurfaces,” Phys. Rev. B, 104, 075412 (2021). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.075412
C. L. Cortes, W. Newman, S. Molesky, and Z. Jacob, ”Quantum nanophotonics using hyperbolic metamaterials,” J. Opt., 14, 063001 (2012). https://doi.org/10.1088/2040-8978/14/6/063001
N. K. Paul, D. Correas-Serrano, and J. S. Gomez-Diaz, ”Giant lateral optical forces on Rayleigh particles near hyperbolic and extremely anisotropic metasurfaces,” Phys. Rev. B, 99, 121408(R) (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.121408
Y. Zhang, M. Antezza, H.-L. Yi, and H.-P. Tan, ”Metasurface-mediated anisotropic radiative heat transfer between nanoparticles,” Phys. Rev. B, 100, 085426 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.085426
B.-Q. Lin, J.-X. Guo, P. Chu, W.-J. Huo, Z. Xing, B.-G. Huang, and L. Wu, ”Multiple-Band Linear-Polarization Conversion and Circular Polarization in Reflection Mode Using a Symmetric Anisotropic Metasurface,” Phys. Rev. Applied, 9, 024038 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.9.024038
Y. Nakata, Y. Urade, K. Okimura, T. Nakanishi, F. Miyamaru, M.W. Takeda, and M. Kitano, ”Anisotropic Babinet-Invertible Metasurfaces to Realize Transmission-Reflection Switching for Orthogonal Polarizations of Light,” Phys. Rev. Applied, 6, 044022 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.6.044022
Y. Nakata, K. Fukawa, T. Nakanishi, Y. Urade, K. Okimura, and F. Miyamaru, ”Reconfigurable Terahertz Quarter-Wave Plate for Helicity Switching Based on Babinet Inversion of an Anisotropic Checkerboard Metasurface,” Phys. Rev. Applied, 11, 044008 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.044008
C.P. Mavidis, A.C. Tasolamprou, E.N. Economou, C.M. Soukoulis, and M. Kafesaki, ”Polaritonic cylinders as multifunctional metamaterials: Single scattering and effective medium description,” Phys. Rev. B, 102, 155310 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.155310
J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd ed. (John Wiley & Sons, New York, 1999).
R.S. Brazis, ”Active and nonlinear interactions under excitation of plasma-type polaritons in semiconductors,” Litov. Fiz. Sb., 21(4), 73-117 (1981). (in Russian)
Авторське право (c) 2026 М.М. Бiлецький, О.Ю. Аверков, Ю.О. Аверков
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
