[論文レビュー] Invisible waveguides on metal plates for plasmonic analogues of electromagnetic wormholes

Muamer Kadic, Guillaume Dupont+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2011

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、金属板上を透明に伝播する表面プラズモン極性波（SPP）を誘導するトロイダルメタマテリアルを用いて、電磁的ワームホールのプラズモン的アナログを提案する。変換プラズモニクスを応用することで、散乱を伴わず障害物の周囲をSPPを曲げられる多層磁性または誘電体メタマテリアルを設計し、可視光周波数（700 nm）において実験的に実現可能で、均一かつ等方的な層を用いてSPPの伝播を最小限の摂動で維持することを実証した。

ABSTRACT

We introduce two types of toroidal metamaterials which are invisible to surface plasmon polaritons (SPPs) propagating on a metal surface. The former is a toroidal handlebody bridging remote holes on the metal surface: It works as a kind of plasmonic counterpart of electromagnetic wormholes. The latter is a toroidal ring lying on the metal surface: This bridges two disconnected metal surfaces i.e. It connects a thin metal cylinder to a flat metal surface with a hole. Full-wave numerical simulations demonstrate that an electromagnetic field propagating inside these metamaterials does not disturb the propagation of SPPs at the metal surface. A multilayered design of these devices is proposed, based on effective medium theory for a set of reduced parameters: The former plasmonic analogue of electromagnetic wormhole requires homogeneous isotropic magnetic layers, while the latter merely requires dielectric layers.

研究の動機と目的

• 金属表面における表面プラズモン極性波（SPP）への電磁的ワームホール概念の拡張。
• SPPの伝播を乱さずに誘導する「見えない」波ガイドの設計、時空におけるトポロジカルな短絡を模倣。
• 均一化理論を用いて有効パrameterを低減した、実験的に実現可能な多層メタマテリアル構造の開発。
• SPPがトロイダルメタマテリアルを通って顕著な散乱や場の歪みを伴わず伝播できることの実証。
• スケーラブルで層状の設計により、プラズモニック波ガイド、センシング、光計算への実用的応用の実現。

提案手法

• トロイダルハンドルボディ（金属板上の2つの穴を接続）のための非等方的かつ非一様な誘電率および透磁率テンソルを、変換プラズモニクスを用いて導出。
• 有限要素法（FEM）を用いた3次元SPP伝播のシミュレーションを行い、メタマテリアル波ガイドの透明性を検証。
• 有効媒質理論を適用して、メタマテリアルを等方的磁性または誘電体材料の交互に積層した層に均一化。
• 式（5）を用いて均一化された層のパrameterを導出：$\frac{1}{\lambda_{rr}} = \frac{1}{1+\eta}\left(\frac{1}{\lambda_A} + \frac{\eta}{\lambda_B}\right)$, $\lambda_{uu} = \lambda_{vv} = \frac{\lambda_A + \eta\lambda_B}{1+\eta}$, ここで $\eta = d_B/d_A$。
• 理想的なクローキング行動を近似するため、厚さ60 nmの交互に積層された磁性または誘電体のワームホールを設計し、$\mu_i$ や $\varepsilon_i$ の特定値を設定。
• 中心点光源からのSPP励起およびガウスビーム入射による性能検証を行い、摂動のない波フロントと滑らかな屈曲を観測。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金属表面における表面プラズモン極性波（SPP）に、電磁的ワームホール概念を適用可能か？
• RQ2 SPPの散乱や場の歪みを伴わず誘導できるトロイダルメタマテリアルはどのように設計できるか？
• RQ3 理想的なプラズモニックワームホールの簡略化された多層構造実現に適した有効媒質パrameterは何か？
• RQ4 磁性ベースのワームホールと同等の性能を示せる誘電体ベースの多層構造は可能か？
• RQ5 SPPがメタマテリアル波ガイドを通る際、伝播がどの程度摂動を受けないか？

主な発見

• トロイダルハンドルボディの設計により、金属板上の離れた2つの穴間をSPPが散乱を伴わず誘導され、場のパターンが保持された。
• 有限要素法のシミュレーションにより、SPPがメタマテリアルを通って最小限の摂動で伝播することが確認され、特に中心に点光源を配置しても同様に成立した。
• 磁性の多層ワームホール（14層、各層厚さ60 nm、$\mu_i$ 値が0.0032〜7.97）は、ガウスビームSPPを金属障害物の周囲に滑らかに曲げた。
• 同じ層厚さと $\varepsilon_i$ 値（0.0032〜7.48）を有する誘電体ベースのバージョンも同様の性能を示し、非磁性設計の実現可能性を確認した。
• 均一化理論により、複雑な非等方的テンソルが有効な等方的層に簡略化され、実験的に実現可能なデバイスとなった。
• 中心からの波フロントがほぼ等方的を保ったまま維持されたことから、700 nmにおけるSPPに対して波ガイドが実質的に透明であることが示された。