Виникнення вiд’ємної дисперсiї електромагнiтних хвиль у твердотiльнiй структурi, що мiстить плазмоподiбне середовище та плазмоннi метаповерхнi
Анотація
У цьому дослідженні представлено детальний теоретичний і чисельний аналіз дисперсійних властивостей p-поляризованих електромагнітних хвиль у складній багатошаровій твердотільній структурі. Досліджувана система являє собою шестишарову структуру, що містить дві ізотропні плазмонні метаповерхні, які розділені діелектричними прошарками та розташовані на напівнескінченній плазмоподібній підкладці — або сильно легованому напівпровіднику, або металі. Поєднуючи формалізм матриць переносу з рівняннями Максвелла та строгими граничними умовами, ми вивели точні дисперсійні рівняння як для поверхневих, так і для об'ємно-поверхневих мод. Наші чисельні результати вказують на процес каскадної гібридизації між фундаментальними резонансами метаповерхонь і власними поверхневими плазмон-поляритонними (ППП) модами підкладки. Особливо значущим результатом є те, що регулювання ефективних сил осциляторів метаповерхонь викликає виражену дисперсійну асиметрію. Це відбувається тоді, коли одна метаповерхня виявляє ємнісний відгук, тоді як інша стає ефективно індуктивною. Такий електродинамічний дисбаланс призводить до аномального режиму негативної частотної дисперсії, що характеризується поширенням зворотних хвиль. Крім того, ми демонструємо, що модифікація діелектричного оточення або заміна напівпровідникової підкладки на металеву зміщує області резонансної взаємодії, пропонуючи універсальний засіб керування спектральними інтервалами розщеплення мод. Ці висновки створюють міцне теоретичне підґрунтя для проектування перестроюваних нанофотонних пристроїв та генерації розподіленого внутрішнього зворотного зв'язку, що є необхідним для виникнення абсолютних нестійкостей електромагнітних хвиль у системах, пов'язаних з пучками.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
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
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
J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd ed. (John Wiley & Sons, New York, 1999).
Авторське право (c) 2026 О.Ю. Аверков, Ю.О. Аверков, М.М. Бiлецький
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).
