Гибридные поверхностные плазмоны на анизотропной метаповерхности

Проанализированы дисперсия, изочастотные контуры, учёт потерь, численное моделирование профилей полей, поляризационные свойства и спиновые характеристики гибридных поверхностных волн, распространяющихся вдоль анизотропной метаповерхности, в самом общем виде, не уточняя конкретный дизайн метаповерхности и описание её свойств, используя эффективную модель тензора проводимости.

Цель: Изучение электромагнитных свойств поверхностных волн, распространяющихся вдоль анизотропной проводящей метаповерхности.
Задачи: Получение и анализ закона дисперсии поверхностных волн на метаповерхности, описываемой анизотропным тензором проводимости. Выявление и изучение новых экстраординарных электромагнитных явлений, связанных с особенностями анизотропных двумерных метаматериалов и субволновых эффектов.

Сегодня оптические технологии стали частью нашей жизни и невозможно переоценить их роль в современном обществе. Важность роли света была также подчеркнута ООН, которая провозгласила 2015 год «Международным годом Света». Эта работа направлена на повышение потенциала оптических технологий и их применения с целью изучения новых электромагнитных явлений, а также их использования в оптических приборах «на чипе», оптических и квантовых компьютерах. Мы хотим исследовать новые возможности контроля и управления светом при помощи гиперболической метаповерхности, описываемой анизотропным тензором проводимости.

В представленной работе проведено теоретическое исследование законов дисперсии, изочастотных контуров, распределений электромагнитных полей, спектров потерь и поляризационных свойств поверхностных волн, распространяющихся вдоль анизотропной некиральной метаповерхности. Анализ проводился в рамках приближения эффективной среды, позволяющего описывать оптические свойства метаповерхности диагональным двумерным тензором проводимости, дисперсия главных компонент которого учитывалась в рамках модели Друде-Лоренца. Формулы с учетом потерь и наличия подложки были получены при помощи теории возмущений и хорошо сходятся с результатами численного моделирования. Профили распределения полей были получены при помощи CST Microwave Studio.  

1. Показано, что в зависимости от знаков компонент тензора проводимости могут наблюдаться три режима метаповерхности: емкостной, индуктивный и гиперболический.

2. Установлено, что в гиперболическом режиме вдоль метаповерхности одновременно распространяются два типа поверхностных мод гибридной поляризации, представляющие собой суперпозицию двумерных ТМ- и ТЕ-плазмонов [1].

3. Исследуемые поверхностные волны, подобно Дьяконовским поверхностным волнам [2], могут распространяться лишь в определенных направлениях, зависящих от компонент тензора проводимости.

4. Анализ изочастотных контуров показал, что в зависимости от частоты и угла распространения их форма может представлять собой эллипс, гиперболу, арку, ромб или восьмерку [1].

5. Наличие такого многообразия форм изочастотных контуров удалось подтвердить в численном эксперименте по возбуждению поверхностных волн точечным диполем, расположенным вблизи метаповерхности, что приводит к различным электромагнитным явлениям [1].

6. Для спектров потерь поверхностных волн удалось получить асимптотические формулы, которые хорошо согласуются с численным решением дисперсионных уравнений для всех трех режимов метаповерхности [1]. 

7. Поляризация таких поверхностных волн может меняться от линейной до циркулярной и эллиптической, что приводит к необычному пространственному распределению плотностей импульса и момента импульса [1].

8. Показано, что в отличие от чисто продольного спина объемных поверхностных волн и чисто поперечного спина обычных поверхностных плазмонов [3], спиновый момент импульса гибридных плазмонов на анизотропной метаповерхности может плавно меняться от чисто поперечного к чисто продольному в зависимости от частоты и направления распространения [4].

9. Анизотропия и перемешивание двух мод в гиперболическом режиме приводят к резонансному поведению спинового момента импульса [4].

10. Уникальные электромагнитные свойства гиперболических метаповерхностей делают их весьма перспективными для применения во многих областях, таких как резонансное зондирование и детектирование, суперлинзы и ближнепольная визуализация, усиленная спектроскопия комбинационного рассеяния света, оптические антенны, оптические сети «на чипе» и т.д. Принимая во внимание относительные простоту и дешевизну их изготовления, широкие функциональные возможности, а также плоскую геометрию, можно утверждать, что гиперболические метаповерхности могут быть основой многих оптических и оптико-электронных приборов, а также могут быть использованы в качестве компонент оптических и квантовых компьютеров.

1. Yermakov O. et al. Hybrid waves localized at hyperbolic metasurfaces // Physical Review B. – 2015. – Т. 91. – №. 23. – С. 235423.
2. D’yakonov M. I. New type of electromagnetic wave propagating at the interface // Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics. – 1988. – Т. 67. – №. 4. – С. 714-716.
3. Bliokh K. Y., Bekshaev A. Y., Nori F. Extraordinary momentum and spin in evanescent waves // Nature Communications. – 2014. – Т. 5. – № 3300.
4. Yermakov O. Y. et al. Spin control of light with hyperbolic metasurfaces // arXiv preprint arXiv:1605.06781. – 2016.

In this work it was analyzed the dispersion, equal frequency contours, losses, numerical simulation of the field profiles, polarization properties and spin characteristics of hybrid surface waves propagating along the anisotropic metasurface in general form using the effective model of the conductivity tensor, not specifying a particular design of metasurface and the description of its properties.