Onda superficiale di parodia all'indietro nel metamateriale plasmonico di struttura metallica ultrasottile

Jun 22, 2024

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 20448 (2016) Citare questo articolo

2587 accessi

37 citazioni

4 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

L'onda all'indietro con velocità di fase e di gruppo antiparallele è una delle proprietà di base associate all'immagine di rifrazione negativa e sub-diffrazione che ha attirato un notevole interesse nel contesto dei metamateriali fotonici. È stato previsto teoricamente che alcune strutture plasmoniche possano anche supportare la propagazione delle onde all'indietro dei polaritoni plasmonici superficiali (SPP), tuttavia, per quanto ne sappiamo, non è stata riportata una dimostrazione sperimentale diretta. In questo articolo è stato proposto un metamateriale plasmonico appositamente progettato di striscia metallica ondulata in grado di supportare la propagazione delle onde SPP di spoofing all'indietro. L'analisi della dispersione, la simulazione completa del campo elettromagnetico e la misurazione della trasmissione della guida d'onda metamateriale plasmonica hanno chiaramente convalidato la propagazione dell'onda all'indietro con una relazione di dispersione che possiede pendenza negativa e direzioni opposte delle velocità di gruppo e di fase. Come ulteriore verifica e applicazione, viene progettato e testato un accoppiatore controdirezionale in grado di instradare il segnale a microonde verso terminali opposti a diverse frequenze operative, indicando nuove opportunità di applicazione del metamateriale plasmonico in dispositivi funzionali integrati e circuiti per radiazioni a microonde e terahertz.

L'onda elettromagnetica all'indietro (EM) è solitamente definita come l'onda che si propaga con direzioni opposte delle sue velocità di fase e di gruppo1. Ha attirato una notevole attenzione negli ultimi dieci anni nel contesto dei metamateriali, in particolare i metamateriali mancini o doppi negativi con permettività e permeabilità simultaneamente negative2,3. L'onda retrograda è una delle importanti proprietà peculiari associate ai metamateriali che costituisce la base per la rifrazione negativa3 ed è alla base di altri fenomeni interessanti, come le lenti perfette4,5, o le iperlenti6,7 che mirano a raggiungere risoluzioni ottiche superando il limite di diffrazione con evidenti potenzialità per imaging ottico e litografia. L'onda indietro è stata ben dimostrata anche nell'analogia circuitale dei metamateriali levogiri: le linee di trasmissione levogire8,9 ed è stata utilizzata in molti nuovi componenti EM o concetti di antenne10.

I polaritoni plasmonici superficiali (SPP) sono onde EM superficiali che si propagano lungo l'interfaccia dielettrico-metallo a frequenze ottiche11,12. A causa del loro forte confinamento del campo su scala sub-lunghezza d'onda e del conseguente potenziamento del campo all'interfaccia dielettrico-metallo, gli SPP potrebbero portare al superamento del limite di diffrazione13 e circuiti integrati ottici miniaturizzati e dispositivi con scale inferiori alla lunghezza d'onda della luce14,15,16 . Per l'onda SPP su un'interfaccia dielettrico-metallo, l'onda EM è diretta all'interno del dielettrico ma indietro all'interno del metallo avendo una permettività negativa17. Tuttavia, gran parte dell’energia fluisce nel dielettrico rendendo il comportamento netto dell’onda SPP un’onda diretta. Sono stati condotti molti studi teorici per esplorare la propagazione delle onde all'indietro degli SPP, che rivelano che una guida d'onda a tre strati adeguatamente progettata, una struttura metallo-isolante-metallo (MIM) o una struttura isolante-metallo-isolante (IMI), può supportare la propagazione delle onde all'indietro degli SPP. propagazione all'indietro o modalità indice negativo18,22. Sebbene un'interessante rifrazione negativa sia stata illustrata sperimentalmente in una tale guida d'onda MIM23, manca ancora la dimostrazione diretta dell'onda SPP all'indietro in una guida d'onda plasmonica con chiare velocità di fase e di gruppo antiparallele. Ciò può essere attribuito alla forte natura smorzante degli SPP che porta ad una lunghezza di propagazione di solo poche lunghezze d'onda in queste guide d'onda plasmoniche20,22.

Gli SPP non possono essere scalati direttamente a frequenze più basse perché il metallo si comporta fondamentalmente come un perfetto conduttore elettrico al di sotto della sua frequenza del plasma nel lontano infrarosso. Per sfruttare l'elevato confinamento del campo e l'aumento nella scala della lunghezza d'onda secondaria dell'onda SPP, sono stati proposti metamateriali plasmonici costituiti da una superficie metallica strutturata con ondulazioni o fossette nella scala della lunghezza d'onda secondaria, la cui frequenza plasmonica superficiale può essere adattata dai parametri geometrici dell'onda SPP. strutture24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Questi cosiddetti SPP “spoof” o “designer” possiedono le relazioni di dispersione e le proprietà di campo simili degli SPP ottici, ma funzionano a frequenze più basse fino ai regimi delle microonde o dei terahertz. Recentemente, è stata proposta una struttura più pratica, la striscia metallica ondulata ultrasottile, per propagare i plasmoni di superficie conforme (CSP) su superfici arbitrariamente curve34, che si è rivelata un potenziale candidato per dispositivi SPP e applicazioni di circuiti nelle frequenze delle microonde e dei terahertz35,36 ,37,38.