УДК537.8

МЕТОДЫ РЕАЛИЗАЦИИ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГИПЕРБОЛИЧЕСКИХ МЕТАМАТЕРИАЛОВ

Щелокова А. В., Капитанова П. В., Белов П. А.


Читать статью полностью 

Аннотация

Представлены исследования авторов статьи в области гиперболических метаматериалов. Гиперболические метаматериалы описываются тензорами диэлектрической и магнитной проницаемостей, главные компоненты которых имеют разные знаки. В связи с этим такие метаматериалы имеют гиперболические изочастотные поверхности в пространстве волновых векторов, что приводит к ряду необычных свойств, таких как проявление волнами на границе отрицательного преломления, расхождение плотности фотонных состояний, сверхвысокая скорость спонтанного излучения и увеличение субволновых полей. Набор таких уникальных свойств делает концепцию гиперболических метаматериалов перспективной для исследования в современной науке и объясняет попытки многих научных групп по всему миру реализовать структуры с гиперболическим изочастотным контуром для различных частотных диапазонов. Нами показано, что на сегодняшний день гиперболические метаматериалы могут быть реализованы в виде слоистых металлодиэлектрических структур, массивов нанопроводов, слоями графена, а также искусственными длинными линиями. Авторами статьи рассмотрены возможные практические применения гиперболических метаматериалов, в число которых входят гиперлинзы, способные увеличивать объекты наномасштаба; среды из проводов, которые применяются в спектроскопии для улучшения разрешения и увеличения расстояния до сканируемого объекта. Следует отметить, что гиперболические метаматериалы являются необычайно перспективными для применения в нанофотонике, в том числе для однофотонной генерации, зондирования и фотовольтаики.


Ключевые слова: метаматериал, гиперболический метаматериал, гиперболический изочастотный контур

Список литературы
 
1.     Valentine J., Zhang S., Zentgraf T., Ulin-Avila E., Genov D.A., Bartal G., Zhang X. Three-dimensional optical metamaterial with a negative refractive index // Nature. 2008. V. 455. P. 376–379.
2.     Veselago V.G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ// Sov. Phys. Usp. 1968. V. 10. P.509514.
3.     Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T., Soukoulis C.M. Magnetic Response of Metamaterials at 100 Terahertz // Science. 2004. V. 306. P.13511353.
4.     Belov P.A., Hao Y., Sudhakaran S. Subwavelength microwave imaging using an array of parallel conducting wires as a lens// Phys. Rev. B. 2006. V. 73. Art. N 0331081.
5.     Schurig D., Mock J.J., Justice B.J., Cummer S.A., Pendry J.B., Starr A.F., Smith D.R. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies // Science. 2006. V. 314. P. 977–980.
6.     Radu X., Garray D., Craeye C. Toward a wire medium endoscope for MRI imaging // Metamaterials. 2009. V. 3. N 2. P. 90–99.
7.     Filonov D.S., Krasnok A.E., Slobozhanyuk A.P., Kapitanova P.V., Nenasheva E.A., Kivshar Y.S., Belov P.A. Experimental verification of the concept of all-dielectric nanoantennas// Appl. Phys. Lett. 2012. V. 100. № 20. Art. N2011131.
8.     Краснок А.Е., Белов П.А., Кившарь Ю.С. Оптические диэлектрические наноантенны // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 5 (87). С. 23–28.
9.     Powell D.A., Shadrivov I.V., Kivshar Y.S. Nonlinear electric metamaterials // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. Art. N 084102.
10.Cortes C.L., Newman W., Molesky S., Jacob Z. Quantum nanophotonics using hyperbolic metamaterials // J. Optics. 2012. V. 14. Art. N 063001.
11.Krishnamoorthy H.N.S., Jacob Z., Narimanov E., Kretzschmar I., Menon V.M. Topological transitions in metamaterials // Science. 2012. V. 336. P. 205–209.
12.Smith D.R., Kolinko P., Schurig D. Negative refraction in indefinite media // J. Opt. Soc. Am. B - Opt. Physics. 2004. V. 21. P. 1032–1043.
13.Belov P.A. Backward waves and negative refraction in uniaxial dielectrics with negative dielectric permittivity along the anisotropy axis // Microw. And Opt. Techn. Lett. 2003. V. 37. P. 259–263.
14.Liu Z., Lee H., Xiong Y., Sun C., Zhang X. Far-field optical hyperlens magnifying sub-diffraction-limited objects // Science. 2007. V. 315. P. 1686.
15.Smith D.R., Schuring D. Electromagnetic wave propagation in media with indefinite permittivity and permeability tensors // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 90. № 7. P. 077405/1-077405/4.
16.Shum K.M., Xue Q., Chau W.N., Chan C.H. BW media – media with negative parameters, capable of supporting backward waves // Microw. And Opt. Techn. Lett. 2001. V. 31. P. 129–133.
17.Poddubny A., Iorsh I., Belov P., Kivshar Y. Hyperbolic metamaterials // Nature Photonics. 2013. V. 7. N. 12. P. 958–967.
18.Hoffman A.J., Alekseyev L., Howard S.S., Franz K.J., Wasserman D., Podolskiy V.A., Narimanov E.E., Sivco D.L., Gmachl C. Negative refraction in semiconductor metamaterials // Nature Materials. 2007. V. 6. P. 946–950.
19.Tumkur T., Zhu G., Black P., Barnakov Yu.A., Bonner C.E., Noginov M.A. Control of spontaneous emission in a volume of functionalized hyperbolic metamaterial // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 99. Art. N 151115.
20.Belov P.A., Marques R., Maslovski S.I., Nefedov I.S., Silveirinha M., Simovski C.R., Tretyakov S.A. Strong spatial dispersion in wire media in the very large wavelength limit // Phys. Rev. B. 2003. V. 67. P. 113103.
21.Agranovich V.M., Kravtsov V.E. Notes on crystal optics of superlattices // Solid State Communications. 1985. V. 55. P. 85-90.
22.Yang X., Yao J., Rho J., Yin X., Zhang X. Experimental realization of three-dimensional indefinite cavities at the nanoscale with anomalous scaling laws // Nature Photonics. 2012. V. 6. N 7. P. 450-454.
23.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. P. 8100–8116.
24.Korobkin D., Neuner B., Fietz C., Jegenyes N., Ferro G., Shvets G. Measurements of the negative refractive index of sub-diffraction waves propagating in an indefinite permittivity medium // Optics Express. 2010. V. 18. P. 22734–22746.
25.Noginov M.A., Barnakov Yu.A., Zhu G., Tumkur T., Li H., Narimanov E.E. Bulk photonic metamaterial with hyperbolic dispersion // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94. Art. N 151105.
26.Yao J., Liu Z., Liu Y., Wang Y., Sun C., Bartal G., Stacy A.M., Zhang X. Optical negative refraction in bulk metamaterials of nanowires // Science. 2008. V. 321. P. 930.
27.Fisher R.K., Gould R.W. Resonance cones in the field pattern of short antenna in an anisotropic plasma // Phys. Rev. Lett. 1969. V. 22. P. 1093-1095.
28.Felsen L., Marcuvitz N. Radiation and scattering of waves. NY.: Wiley Interscience, 2003. 464 р.
29.Seshardi S.R., Wu T.T. Radiation condition for a magnetoplasma medium // Quarterly Journal of Mechanics and Applied Mathematics. 1970. V. 23. N 2. P. 285–313.
30.Yao J., Yang X., Yin X., Bartal G., Zhang X. Three-dimensional nanometer-scale optical cavities of indefinite medium // Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America. 2011. V. 108. N 2. P. 11327–11331.
31.Kruk S.S., Powell D.A., Minovich A., Neshev D.N., Kivshar Y.S. Spatial dispersion of multilayer fishnet metamaterials // Optics Express. 2012. V. 20. P. 15100–15105.
32.Grbic A., Eleftheriades G.V. Periodic Analysis of a 2-D Negative Refractive Index Transmission Line Structure // IEEE Trans. Antennas Propag. 2003. V. 51. N 10. P. 2604–2611.
33.Grbic A., Eleftheriades G.V. An isotropic three-dimensional negative-refractive-index transmission-line metamaterial // J. Appl. Phys. 2005. V. 98. N 4. Art. N 043106.
34.Chshelokova A.V., Kapitanova P.V., Poddubny A.N., Filonov D.S., Slobozhanyuk A.P., Kivshar Yu.S., Belov P.A. Hyperbolic transmission-line metamaterials // J. Appl. Phys. 2012. V. 112. N 7. Art. N 073116.
35.Schilling J. Uniaxial metallo-dielectric metamaterials with scalar positive permeability // Phys. Rev. E. 2006. V. 74. N 4. Art. N 046618.
36.Mackay T.G., Lakhtakia A., Depine R.A. Uniaxial dielectric media with hyperbolic dispersion relations // Microw and Opt. Techn. Lett. 2006. V. 48. P. 363–367.
37.Orlov A.A., Voroshilov P.M., Belov P.A., Kivshar Y.S. Engineered optical nonlocality in nanostructured metamaterials // Phys. Rev. B. 2011. V. 84. N 4. Art. N 045424.
38.Potemkin A.S., Poddubny A.N., Belov P.A., Kivshar Y.S. Green function for hyperbolic media // Phys. Rev. A. 2012. V. 86. N 2. Art N 023848.
39.Purcell E.M. Spontaneous emission probabilities at radio frequencies // Phys. Rev. 1946. V. 69. P. 681.
40.Poddubny A.N., Belov P.A., Kivshar Y.S. Spontaneous radiation of a finite-size dipole emitter in hyperbolic media // Phys. Rev. A. 2011. V. 84. N 2. Art. N 023807.
41.Podolskiy V.A., Narimanov E.E. Strongly anisotropic waveguide as a nonmagnetic lefthanded system // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. N 20. Art. N 201101.
42.Alekseyev L.V., Narimanov E.E. Slow light and 3D imaging with non-magnetic negative index systems // Optics Express. 2006. V. 14. P. 11184–11193.
43.Elser J., Podolskiy V.A. Scattering-free plasmonic optics with anisotropic metamaterials // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. N 6. Art. N 066402.
44.Xu G.-D., Pan T., Zang T.-C., Sun J. Characteristics of guided waves in indefinite-medium waveguides // Optics Communications. 2008. V. 281. N 10. P. 2819–2825.
Информация 2001-2017 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика