[論文レビュー] Shielding at a distance due to anomalous resonance in superlens with eccentric core

Sanghyeon Yu, Mikyoung Lim|arXiv (Cornell University)|Apr 18, 2015

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、非同心核を有するプラズモニックスーパーレンズにおいて、モビウス変換を用いた異常局在共鳴を活用し、導体材料に囲まれていない領域で外部場がキャンセルされる「遠くからのシールド」を実現する、新規なシールドメカニズムを提案する。この効果は、臨界共鳴領域がシールド領域を含まない場合に生じ、デバイスから離れた場所でもクローキングに類似した場の抑制を可能にする。特に、遠く離れたまたは一様な源に対しても成立する。

ABSTRACT

A cylindrical plasmonic structure with a concentric core exhibits an anomalous localized resonance which results in cloaking effects. Here we show that, if the structure has an eccentric core, a new kind of shielding effect can happen. In contrast to the conventional shielding device, our proposed structure can block the effect of external electrical sources even on a region which is not enclosed by any conducting materials. In fact, the shielded region is located at a distance from the device. We analytically investigate this phenomenon by using the möbius transformation via which an eccentric annulus is transformed into a concentric one. We also present several numerical examples.

研究の動機と目的

• 導体材料でシールド領域を囲まない新しいプラズモニックスーパーレンズのシールドメカニズムを調査すること。
• スーパーレンズのコアの非同心性が、同心構成と比較して異常局在共鳴の挙動に与える影響を分析すること。
• 特に外部または遠方の源に対して、遠くからのシールドが発生するための明示的な幾何学的および材料的条件を導出すること。
• シールド領域がデバイスから離れて位置し、いかなる導電層によっても囲まれていない場合でも、その領域がシールド可能であることを示すこと。
• ダイポール源および一様場源を含む、さまざまな源タイプに対して、この現象を数値的に検証すること。

提案手法

• 非同心アニュラーギャップを同心構造にマッピングするためのモビウス変換を用い、同心スーパーレンズ理論の既知の結果を解析的に適用可能にする。
• 準静的近似を適用し、電界ポテンシャルを発散形方程式 ∇·εδ∇Vδ = f の解としてモデル化する。ここで εδ = -1 + iδ はシェル領域における誘電率である。
• 変換された幾何学的構造に基づき、異常共鳴が発生する臨界領域 Ω* を定義する。この領域は条件 ρ* > 1 を満たす場合に成立し、ρ* = √(ρₑ³ / ρᵢ) で与えられる。
• モビウス写像 Φ を用いて電界ポテンシャルおよび源分布を変換し、非同心構成における場の挙動を分析する。
• 臨界共鳴領域の外側で電位がほぼ一定になる条件を導出し、遠くからのシールドを示す。
• ダイポール源および一様場源に対して数値シミュレーションを実施し、近場および遠方領域におけるシールド効果を可視化・確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非同心スーパーレンズは、いかなる導体材料でも囲まれていない領域をシールドする「遠くからのシールド」を実現できるか？
• RQ2 非同心スーパーレンズにおいて、異常共鳴が遠くからのシールドを生じさせるために満たすべき幾何学的および材料的条件は何か？
• RQ3 シールド領域の位置およびサイズは、スーパーレンズのコアの非同心度および半径にどのように依存するか？
• RQ4 無限遠に位置する源、例えば一様な外部場に対しても、遠くからのシールドが成立するか？
• RQ5 モビウス変換は、非同心スーパーレンズ構成における異常共鳴の解析をどのように支援するか？

主な発見

• 遠くからのシールドは、臨界共鳴領域 Ω* がシールド領域の外側に位置する場合に実現され、これは変換された臨界半径 ρ* > 1 のときに成立する。
• 位置 (5,5) に配置されたダイポール源に対して、コア半径を ρᵢ = 0.2 に減少させると、ρ* = 1.31 > 1 となり、シールド領域の半径は約 3.53、中心は (4.06,0) に位置する遠くからのシールドが観測される。
• 数値例では、白色破線で示された円（シールド領域）内では電界ポテンシャルがほぼ一定に保たれるが、外部では場が顕著に歪められるため、シールド効果が確認される。
• 臨界領域が無限遠を含む場合、すなわち ρ* > 1 の場合、無限遠からの一様な外部場に対しても遠くからのシールドが成立する。
• 従来のクローキングとは異なり、この現象は源がデバイスから遠く離れていても成立する。特に、源が1波長以内に存在する必要はない。
• モビウス変換により、非同心スーパーレンズを正確に同心構造にマッピング可能であり、共鳴およびシールド条件の解析的導出が可能になる。