[論文レビュー] Magneto-Plasmons in Grounded Graphene-Based Structures with Anisotropic Cover and Substrate

Mohammad Heydari, Mohammad Hashem Vadjed Samiei|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2021

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 56被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、外部の垂直磁場がグラフェンに異方性導電率を誘導する grounded グラフェンベースの波ガイドにおける磁気プラズモンモードの新規な解析的モデルを提案する。このモデルは、磁場強度およびグラフェンの化学ポテンシャルによるモード特性の高精度なチューニングを示し、非再帰的かつ再構成可能な太赫（THz）デバイスの実現を可能にする。解析的結果とシミュレーション結果の間で良好な一致が得られている。

ABSTRACT

This paper aims to study the magneto-plasmons in an anisotropic graphene nano-waveguide with bigyrotropic cover and substrate. The substrate is backed by a perfect electromagnetic conductor (PEMC) layer, a general and ideal boundary, which can be transformed easily into the perfect electric conductor (PEC) or the perfect magnetic conductor (PMC) boundaries. The upper and bottom layers of the graphene sheet are made of different magnetic materials. The external magnetic field is applied perpendicularly to the structure surface, which can be provided by a permanent magnet placed underneath the ground plane. Hence, the graphene sheet has anisotropic conductivity tensor. A novel analytical model has been proposed for the general nano-waveguide to find its propagation properties. As special cases of the proposed general structure, two important new waveguides have been introduced and studied to show, first the richness of the proposed general nano-waveguide regarding the related specific plasmonic wave phenomena and effects, and second the validity and the high accuracy of the proposed model. The analytical and the simulation results are in an excellent agreement. It is shown that the modal properties of the proposed structure can be tuned effectively via the external magnetic field and the chemical potential of the graphene. Harnessing the non-reciprocity effect of anisotropic materials and the graphene sheet, the presented analytical model can be exploited to design tunable innovative devices in THz frequencies.

研究の動機と目的

• 異方性被覆層および基板を有するグラフェンベース波ガイドにおける磁気プラズモンモードの一般解析的フレームワークの構築を目的とする。
• 外部の垂直磁場がグラフェンにおける表面プラズモンモードの伝搬特性に与える影響を調査することを目的とする。
• 磁場強度およびグラフェンの化学ポテンシャルの制御により、モード特性がどのようにチューニング可能かを示すこと。
• シミュレーション結果との比較を通じてモデルを検証し、高い精度を示すこと。
• 異方性グラフェン構造を用いた非再帰的かつ再構成可能な太赫デバイスの設計可能性を検討すること。

提案手法

• グラフェンシートが異方性被覆層および基板層に挟まれ、完全電磁導体（PEMC）層に接続された一般化されたナノ波ガイド構造を定式化する。
• 外部磁場がグラフェンに非対角成分を有する導電率テンソルを誘導し、これにより異方性表面プラズモンモードが生じる。
• 各界面における境界条件を満たすように、マクスウェル方程式を解き、グラフェンの異方性導電率テンソルを組み込む。
• 得られた固有値問題を解くことで、磁気プラズモンモードの分散関係を解析的に導出する。
• 一般構造の特殊ケース（PECおよびPMC境界に相当する構成）を解析し、モデルの妥当性を検証する。
• 数値シミュレーションを実施し、解析的予測の妥当性を確認した。モード特性において解析的結果と良好な一致が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部の垂直磁場の適用が、グラフェンベース波ガイドにおける表面プラズモンモードの伝搬定数および電場分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 磁場強度およびグラフェンの化学ポテンシャルの制御により、波ガイドのモード特性はどの程度チューニング可能か？
• RQ3 異方性被覆層および基板が、システムにおける非再帰的プラズモン挙動を実現するために果たす役割は何か？
• RQ4 本モデルは、フルウェーブシミュレーションと比較して、分散特性をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 一般モデルが、PEC や PMC 境界に相当する既知の構成に簡略化可能かどうかを検証し、その一貫性および一般性を確認できるか？

主な発見

• 解析的モデルは磁気プラズモンの分散特性を正確に予測しており、解析的結果とシミュレーション結果の間で良好な一致が得られている。
• 伝搬定数および電場閉じ込め特性を含むモード特性は、外部磁場およびグラフェンの化学ポテンシャルの制御により、効果的にチューニング可能である。
• 磁場によって誘導される異方性導電率のおかげで、強い非再帰的特性を示し、隔離および方向依存伝送が可能である。
• PEMCバックイング層は一般境界条件を提供し、PEC や PMC に変換可能であり、設計の柔軟性を高める。
• 提案されたモデルは、既知の特殊ケースに正確に還元可能であり、その妥当性および一般性が確認された。
• 本システムは、再構成可能な光子デバイスに適した、チューナブルかつ非再帰的な表面プラズモンモードを太赫周波数帯域でサポートする。