[論文レビュー] On the Relation between Perfect Tunneling and Band Gaps for SNG Metamaterial Structures

Arif Shahriar, M. R. C. Mahdy+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2013

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、両方の偏光に対して完全トンネル効果と完全バンドギャップ（CBG）を同時に示す等方的かつ均一な単一負性（SNG）メタマテリアル単位セルの統一的分類を提案する。バンドギャップ理論とアレイ特性を活用することで、位相シフトを伴う完全トンネル効果、完全完全トンネル（CPT）、バンドギャップシフト、および予期しないCBG形成を、二重正性（DPS）材料領域でも実証し、メタマテリアルにおける電磁波制御の新たな知見を提供する。

ABSTRACT

In this article, we have proposed a compact classification of isotropic and homogeneous single negative (SNG) electromagnetic metamaterial based perfect tunneling unit cells. This unified classification has been made by means of the band gap theories and properties of the arrays made up of these unit cells. Based on their reported characteristics, we have proposed new structures that simultaneously show perfect tunneling band and complete band gap (CBG-omni directional stop band for both polarizations). Besides, we have identified a kind of perfect tunneling which can be considered as "phase shifted perfect tunneling". Several interesting and new phenomena like Complete Perfect Tunneling (CPT-omni directional perfect tunneling for both polarizations), Band Gap Shifting,CBG in Double Positive (DPS) material range, etc. have been reported with proper physical and mathematical explanations.

研究の動機と目的

• SNGメタマテリアル単位セルのバンドギャップおよび完全トンネル特性に基づき、等方的かつ均一な単一負性（SNG）電磁メタマテリアル単位セルのコンactで統一的な分類を開発すること。
• 完全完全トンネル（CPT）やSNGベース構造における位相シフトを伴う完全トンネル効果を含む、新たな電磁現象の同定および特徴付け。
• 横電場（TE）および横磁場（TM）両偏光において、完全トンネル効果と完全バンドギャップ（CBG）の共存を調査すること。
• 有効二重正性（DPS）パラメータを示す材料においてバンドギャップがどのように出現するかを調査すること。これは、従来の期待とは反するものである。

提案手法

• 本研究では、SNGメタマテリアル単位セルからなる周期的アレイを分析するため、バンドギャップ理論を用い、分散関係解析により停止帯域および透過帯域の特性を同定する。
• 著者らは、伝搬行列法を導出し、それを多層SNG構造内での波動伝搬をモデル化するために適用し、透過およびバンドギャップ挙動の正確な計算を可能にする。
• 透過およびバンドギャップ応答に基づき、SNG単位セルの体系的分類を確立し、二重機能を有する構造の同定に繋げる。
• 数値シミュレーションと解析的モデリングを用いて、完全完全トンネル（CPT）および位相シフトを伴う完全トンネルの存在を検証し、両偏光におけるオムニディレクショナルな挙動に重点を置く。
• アレイの有効媒質パラメータを検討し、構成材料が二重正性（DPS）である領域でもバンドギャップが出現する条件を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNGメタマテリアル単位セルは、その完全トンネル効果およびバンドギャップ特性に基づき、統一的に分類可能か？
• RQ2 SNGベースの周期的構造において、TEおよびTM両偏光で完全トンネル効果と完全バンドギャップ（CBG）が共存する物理的メカニズムは何か？
• RQ3 位相シフトを伴う完全トンネル効果は、従来の完全トンネル効果とどのように異なるのか？また、波動制御にどのような意味を持つのか？
• RQ4 有効二重正性（DPS）パラメータを示す系で、完全バンドギャップがどのような条件下で出現するのか？
• RQ5 SNGメタマテリアルアレイにおいて、構造的または材料的チューニングによりバンドギャップシフトを達成できるか？

主な発見

• 本研究では、両方の偏光（TEおよびTM）に対して完全トンネル効果と完全バンドギャップ（CBG）を同時に示すSNGメタマテリアル構造の新クラスを同定し、両方の偏光でオムニディレクショナルな透過および停止帯域挙動を実現可能であることを示した。
• 「完全完全トンネル」（CPT）と呼ばれる新現象が報告され、すべての入射角および両偏光で完全透過が実現され、反射が全くない。
• 位相シフトを伴う完全トンネル効果が、完全振幅透過ですらも顕著な位相シフトを伴う別個のモードとして導入された。
• 著者らは、有効媒質パラメータが二重正性（DPS）を示す領域でも完全バンドギャップが形成可能であることを実証し、従来のバンドギャップ形成モデルに反する。
• 構造的チューニングによりバンドギャップシフトが観測され、SNGメタマテリアルアレイにおけるチューナブルなスペクトルフィルタリング能力を示した。