УДК535.3

ЭФФЕКТ ПЁРСЕЛЛА В ПРЕДЕЛЬНО АНИЗОТРОПНЫХ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ МЕТАМАТЕРИАЛАХ

Чебыкин А. В., Орлов А. А., Хайслер Ф. , Барышникова К. В., Белов П. А.


Читать статью полностью 
Язык статьи - Русский


Аннотация
Теоретически продемонстрирован эффект Пёрселла в предельно анизотропных метаматериалах с эллиптической изочастотной поверхностью. В отличие от гиперболических метаматериалов, данный эффект не связан с расходящейся плотностью состояний. Показано, что большой фактор Пёрселла можно наблюдать и без возбуждения мод с большими волновыми векторами в одном из направлений, при этом нормальная слоям компонента волнового вектора будет меньше k0. Это дает возможность получить в данных материалах увеличение не только мощности, излучаемой в среду, но и мощности, передаваемой в свободное пространство через границу среды, расположенную поперечно слоям материала. Методами анализа являлись построение изочастотных контуров, а также расчет аналитической зависимости фактора Пёрселла от частоты для бесконечной структуры слоистого метаматериала. В диапазоне видимого света сильная пространственная дисперсия не позволяет получить усиление спонтанного излучения в метаматериале с двухслойной элементарной ячейкой. Эффект может быть реализован в периодических слоистых металлодиэлектрических наноструктурах с элементарной ячейкой, содержащей два металлических и два диэлектрических слоя. Анализ полученных зависимостей фактора Пёрселла от частоты показывает, что спонтанное излучение усиливается на порядок и более только для случая ориентации возбуждающего диполя вдоль слоев метаматериала, а для случая поперечной ориентации излучение максимально может усиливаться лишь в 2–3 раза. Результаты работы могут быть использованы для создания нового типа метаматериалов с эллиптическими изочастотными контурами, обеспечивающих более эффективное излучение света в дальнее поле.

Ключевые слова: метаматериалы, эффект Пёрселла, спонтанное излучение, поверхностные плазмоны

Благодарности. Работа выполнена при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации (субсидия 074-U01), фонда РФФИ (проект 14-02-31720), а также стипендии Президента Российской Федерации (грант СП-2154.2012.1). Авторы приносят отдельную благодарность анонимному рецензенту за ценные замечания и помощь в подготовке статьи.

Список литературы
1. Jacob Z., Shalaev V.M. Plasmonics goes quantum // Science. 2011. V. 334. N 6055. P. 463–464.
2. Cortes C.L., Newman W., Molesky S., Jacob Z. Quantum nanophotonics using hyperbolic metamaterials // Journal of Optics. 2012. V. 14. N 6. Art. 063001.
3. Drachev V.P., Podolskiy V.A., Kildishev A.V. Hyperbolic metamaterials: new physics behind a classical problem // Optics Express. 2013. V. 21. N 12. P. 15048 15064.
4. Poddubny A., Iorsh I., Belov P., Kivshar Y. Hyperbolic metamaterials // Nature Photonics. 2013. V. 7. N 12. P. 958–967.
5. Felsen L., Marcuvitz N. Radiation and Scattering of Waves. NY: Wiley, 2003. 464 p.
6. Jacob Z., Smolyaninov I.I., Narimanov E.E. Broadband Purcell effect: radiative decay engineering with metamaterials // Applied Physics Letters. 2009. V. 100. N 18. Art. 181105.
7. Kavokin A., Baumberg J.J., Malpuech G., Laussy F.P. Microcavities. Oxford University Press, 2007. 430 p.
8. Tumkur T., Zhu G., Black P., Barnakov Y.A., Bonner C.E., Noginov M.A. Control of spontaneous emission in a volume of functionalized hyperbolic metamaterial // Applied Physics Letters. 2011. V. 99. N 15. Art. 151115.
9. Kim J., Drachev V.P., Jacob Z., Naik G.V., Boltasseva A., Narimanov E.E., Shalaev V.M. Improving the radiative decay rate for dye molecules with hyperbolic metamaterials // Optics Express. 2012. V. 20. N 7. P. 8100–8116.
10. Lu D., Kan J.J., Fullerton E.E., Liu Z. Enhancing spontaneous emission rates of molecules using nanopatterned multilayer hyperbolic metamaterials // Nature Nanotechnology. 2014. V. 9. N 1. P. 48–53.
11. Orlov A.A., Zhukovsky S.V., Iorsh I.V., Belov P.A. Controlling light with plasmonic multilayers // Photonics and Nanostructures – Fundamentals and Applications. 2014. V. 12. N 3. P. 213–230.
12. Agranovich V.M., Kravtsov V.E. Notes on crystal optics of superlattices // Solid State Communications. 1985. V. 55. N 1. P. 85–90.
13. Orlov A.A., Voroshilov P.M., Belov P.A., Kivshar Y.S. Engineered optical nonlocality in nanostructured metamaterials // Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics. 2011. V. 84. N 4. Art. 045424.
14. Orlov A.A., Krylova A.K., Zhukovsky S.V., Babicheva V.E., Belov P.A. Multiperiodicity in plasmonic multilayers: general description and diversity of topologies // Physical Review A – Atomic, Molecular, and Optical Physics. 2014. V. 90. N 1. Art. 013812.
15. Tomas M.S., Lenac Z. Spontaneous-emission in an absorbing Fabry-Perot cavity // Physical Review A –Atomic, Molecular, and Optical Physics. 1999. V. 60. N 3. P. 2431–2437.
16. Poddubny A.N., Belov P.A., Ginzburg P., Zayats A.V., Kivshar Y.S. Microscopic model of Purcell enhancement in hyperbolic metamaterials // Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics. 2012. V. 86. N 3. Art. 035148.
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика