[論文レビュー] One-Atom-Thick IR Metamaterials and Transformation Optics Using Graphene

Ashkan Vakil, Nader Engheta|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2011

Plasmonic and Surface Plasmon ResearchEngineering参考文献 4被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、グラフェンを用いた1原子層の赤外（IR）メタマテリアルプラットフォームを提案する。空間的に変化する導電率パターン—ゲート電圧または磁場によって調整可能—により、変換光学者的（transformation optics）機能を実現する。シミュレーションにより、1層のグラフェンが、波長未満のIRレンズ、波導、分岐器、フラットランドスーパolenズをサポートできることを示しており、原子的に薄いプラットフォーム上にコンパクトでチューナブルなIRフォトニクス素子の実現が可能である。

ABSTRACT

Here we theoretically show, by designing and manipulating spatially inhomogeneous, non-uniform conductivity patterns across a single flake of graphene, that this single-atom-layered material can serve as a "one-atom-thick" platform for infrared metamaterials and transformation optical devices. It is known that by varying the chemical potential using gate electric and/or magnetic fields, the graphene conductivity in the THz and IR frequencies can be changed. This versatility provides the possibility that different "patches" on a single flake of graphene possess different conductivities, suggesting a mechanism to construct "single-atom-thick" IR metamaterials and transformation optical structures. Our computer simulation results pave the way for envisioning numerous IR photonic functions and metamaterial concepts-all on a "one-atom-thick" platform-of such we list a few here: edge waveguides, bent ribbon-like paths guiding light, photonic splitters and combiners, "one-atom-thick" IR scattering elements as building blocks for "flatland" metamaterials, thin strips as flatland superlenses, and "one-atom-thick" subwavelength IR lenses as tools for Fourier and transformation optics.

研究の動機と目的

• 1つのグラフェンフラクチュアが、赤外メタマテリアルおよび変換光学者的デバイスの1原子層プラットフォームとして機能できることを示すこと。
• 波長未満の制御が可能な超薄型でチューナブルなIRフォトニクス部品を構築する課題に取り組むこと。
• 外部からの電場または磁場によって制御される空間的に不均一な導電率を活用し、複雑な波の操作を実現すること。
• 2次元材料プラットフォーム上で、エッジ波導、ビームスプリッター、フラットレンズなどの新しいIRフォトニクス機能を提案・シミュレーションすること。

提案手法

• ゲート電圧または磁場を用いて、1枚のグラフェンフラクチュア上で空間的に変化する導電率パターンを設計し、局所的な導電率を調整する。
• THzおよびIR領域におけるグラフェンの導電率を、Kubo公式を用いてモデル化し、光学的応答の動的制御を可能にする。
• 有限要素法を用いて、パターン化されたグラフェン構造を通る電磁波の伝搬を解析する。
• 変換光学者的原理を実装するため、所望の波面変換を空間的導電率分布にマッピングする。
• グラフェンプラットフォーム上で、エッジ波導、フォトニックスプリッター、波長未満レンズなどの主要フォトニック部品をシミュレーションする。
• IR帯域における電磁界分布および透過特性を通じて、機能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1原子層のグラフェンフラクチュアは、IRメタマテリアルに適したチューナブルで空間的に不均一な導電率パターンをサポートできるか？
• RQ2 外部の電場または磁場をどのように用いて、グラフェンにおける有効な光学的性質を設計し、波の操作を実現できるか？
• RQ3 変換光学者的原理は、グラフェンのような2次元的かつ原子的に薄い材料で実現可能か？
• RQ4 パターン化されたグラフェンを用いることで、波導、ビーム分岐、波長未満の焦点化といったどのようなIRフォトニクス機能が達成可能か？
• RQ5 グラフェンベースのデバイスは、赤外スペクトルにおいて、どの程度の波長未満の分解能と効率的な透過を達成できるか？

主な発見

• グラフェン内の空間的に不均一な導電率パターンにより、チューナブルな光学的応答を示す1原子層IRメタマテリアルが実現可能である。
• エッジ波導および湾曲したリボン状の経路が成功裏にシミュレーションされ、所定の経路に沿ったIR光のガイド伝搬が実証された。
• フォトニックスプリッターおよびコンビナトリ（結合器）が実証され、設計された導電率分布により、IRビームの制御された分岐と再結合が可能であることが示された。
• 波長未満のIRレンズがシミュレーションされ、1原子層のグラフェンプラットフォームを用いて回折限界を超える焦点化が達成された。
• パターン化されたグラフェンの薄いストリップはフラットランドスーパolenズとして機能し、IR帯域における波長未満の像形成が可能となった。
• このプラットフォームは、フーリエ光学および変換光学者的機能をサポートしており、波面形状変更やビーム操作が1原子層内ですべて実現可能である。