[論文レビュー] Electromagnetic-Magnetoelectric Duality for Waveguides

Nafiseh Sang-Nourpour, Benjamin R. Lavoie+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2015

Magnetic Properties and Applications参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、磁気モノポールを双対化されたドレーブ・ローレンツモデルを用いて組み込むことで、電磁気的磁気双対性を尊重する一般化された波ガイド理論を構築した。これにより、標準的物質、メタマテリアル、および特異的媒体の統一的記述が可能になった。主な結果は、双対変換が平板および円筒形波ガイドにおけるTEモードとTMモードを入れ替えることであり、電気的・磁気的パラメータの交換に対して対称的挙動を示すことを確認した。

ABSTRACT

We develop a theory for waveguides that respects the duality of electromagnetism, namely the symmetry of the equations arising through inclusion of magnetic monopoles in addition to including electrons (electric monopoles). The term magnetoelectric potential is sometimes used to signify the magnetic-monopole induced dual to the usual electromagnetic potential. To this end, we introduce a general theory for describing modes and characteristics of waveguides based on mixed-monopole materials, with both electric and magnetic responses. Our theory accommodates exotic media such as double-negative, near-zero and zero-index materials, and we demonstrate that our general theory exhibits the electromagnetic duality that would arise if we were to incorporate magnetic monopoles into the media. We consider linear, homogeneous, isotropic waveguide materials with slab and cylindrical geometries. To ensure manifest electromagnetic duality, we construct generic electromagnetic susceptibilities that are dual in both electric charges and magnetic monopoles using a generalized Drude-Lorentz model that manifests this duality. Our model reduces to standard cases in appropriate limits. We consider metamaterials and metamaterial waveguides, as well as metal guides, as examples of waveguides constructed of mixed-monopole materials, to show the generality of our waveguide theory. In particular, we show that, in slab and cylindrical waveguides, exchanging electric and magnetic material properties leads to the exchange of transverse magnetic and transverse electric modes and dispersion equations, which suggests a good test of the potential duality of waveguides. This theory has the capability to predict waveguide behavior under an exchange of electromagnetic parameters from the dual waveguide.

研究の動機と目的

• 磁気モノポールを含む状況において、完全な電磁気的双対性を尊重する波ガイドの統一的理論的枠組みを確立すること。
• ドレーブ・ローレンツモデルを拡張し、電気的および磁気的電荷の両方に対する双対的電磁応答を含めること。
• 特にメタマテリアルを含む、線形・均質的・等方的物質における波ガイドモードおよび分散を、双対性の下で記述すること。
• 電気的および磁気的性質を交換した波ガイドが、双対性の下で同一の挙動を示すかどうかを検証すること。
• 空芯金属およびメタマテリアル波ガイドにおける対称的波ガイド挙動のマクロな、実験的検証可能な予測を提供すること。

提案手法

• 電気的および磁気的感受率を組み込んだ一般化されたドレーブ・ローレンツモデルを導入し、電気的および磁気的電荷への双対的応答を可能にする。
• 電気的および磁気的パラメータの交換に対して明示的に双対性を持つ一般的な電磁感受率を構築する。
• 双対変換を平板および円筒形波ガイドの幾何構造に適用し、TEモードとTMモードを相互に変換する。
• 一般化モデルを用いて、金属-誘電体およびメタマテリアル波ガイドにおけるTEおよびTMモードの有効屈折率および減衰をシミュレーションする。
• 変換前の後でのモードプロファイル、分散関係、および伝搬特性を比較することで、双対性を検証する。
• 円筒形ガイドにおけるHEモードが双対変換に対して不変のままであることを示し、これらの構造に内在する電磁気的対称性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気モノポールを含む状況において、電磁気的双対性を尊重する統一的波ガイド理論を構築可能か？
• RQ2 混合モノポール材料を有する平板および円筒形波ガイドにおいて、双対性の下でTEおよびTMモードはどのように変換されるか？
• RQ3 電気的および磁気的パラメータを交換した場合、メタマテリアル波ガイドは対称的挙動を示すか？
• RQ4 一般化されたドレーブ・ローレンツモデルは、誘電率および透磁率の物理的に可能なすべての組み合わせ、特に二重負性およびゼロインデックス材料を記述可能か？
• RQ5 電気的・磁気的パrameterの交換を伴う、元の波ガイドと双対波ガイドの比較を通じて、双対性の対称性は実験的に検証可能か？

主な発見

• 一般化されたドレーブ・ローレンツモデルは、電気的および磁気的応答の両方を組み込むことで、二重負性、ゼロインデックス、ニアゼロ材料を含むすべての標準的および特異的物質を正確に記述できた。
• 平板波ガイドでは、双対変換によりTEモードとTMモードが入れ替わり、分散方程式およびモードプロファイルもそれに応じて変換された。
• 円筒形波ガイドでは、HEモードが双対変換に対して不変のままであり、これらの構造に内在する電磁気的対称性を確認した。
• 波ガイドモードの有効屈折率および減衰は、双対変換に対して不変であり、双対的構成における同一の伝搬挙動を示すことを示した。
• 金属-誘電体の空芯波ガイドは双対性を示し、元のガイドにおけるTEモードがパrameter交換後の双対ガイドではTMモードに対応した。
• 理論は、メタマテリアル波ガイドが電気的・磁気的パラメータを交換した場合に同一の挙動を示すように設計可能であり、対称性実験を実現可能であると予測した。