[論文レビュー] Surface plasmon toy-models of black holes and wormholes

Igor I. Smolyaninov, Christophér C. Davis|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2003

Photonic and Optical Devices参考文献 1被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、金属表面の誘電体ドロップレットおよび金属膜内のナノホールを用いて、実験的に実現可能な表面プラズモンのブラックホールおよびウォームホールのアナログを提案する。これらの構造の曲率および誘電率特性を活用することで、表面プラズモンは有効な事象の地平線およびウォームホールに類似したトポロジーを示し、ヒッグス放射やカルラツァ＝クライン理論に類似した現象を含む相対論的現象の卓上実験的研究を可能にする。

ABSTRACT

Surface plasmons at metal interfaces are collective excitations of the conduction electrons and the electromagnetic field. They exist in "curved three-dimensional space-times" defined by the shape of the metal surface and the spatial distribution of the dielectric constant near the surface. Here we show that surface plasmon toy models of many non-trivial space-time metrics, such as wormholes and black holes, can be easily built and studied in experiments. For example, a droplet of dielectric on the metal surface behaves as a black hole for surface plasmons within a substantial frequency range. On the other hand, a nanohole in a thin metal membrane may be treated as a wormhole connecting two "flat" surface plasmon worlds located on the opposite interfaces of the membrane.

研究の動機と目的

• 固体系における表面プラズモンを用いて、実験的にアクセス可能なブラックホールおよびウォームホールのアナログを開発すること。
• 曲がった金属-誘電体界面が、事象の地平線やウォームホール幾何学を含む非自明な時空計量を模倣できることを示すこと。
• 表面プラズモン系がヒッグス放射やカルラツァ＝クライン理論の現象をモデル化できることを示し、ナノオプティクスと重力物理学の橋渡しをすること。
• スケーラブルで常温で動作するナノフォトニクス構造を用いて、曲がった時空における量子場理論効果をテストするプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 金属の誘電関数にドレイプモデルを適用し、非一様媒質におけるマクスウェル方程式を用いて、曲がった界面における表面プラズモン分散関係を導出する。
• 表面プラズモンの有効時空計量は、誘電率の空間的変動および界面の幾何学的形状によって定義され、曲がった時空のアナログを可能にする。
• 金属表面に存在する誘電体ドロップレットは、表面プラズモンの群速度がゼロになる局所的領域を形成し、プラズモンに対してブラックホールの事象の地平線を模倣する。
• 薄い金属膜内のナノホールは、反対側の界面に存在する2つの表面プラズモン世界を接続するウォームホールとして機能し、可変な透過テンソルが非自明なトポロジーを模倣する。
• 円柱型表面プラズモンの非線形相互作用は、角運動量の量子化が有効なキラル電荷を生じるカルラツァ＝クラインに類似したアナロジーを用いて分析される。
• 非線形マクスウェル方程式が円柱型プラズモンに対して導出された結果が、低次元カルラツァ＝クライン理論の構造を再現することから、アナロジーの妥当性が検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 曲がった金属-誘電体界面における表面プラズモンは、事象の地平線およびヒッグス放射を含むブラックホールの物理を模倣できるか？
• RQ2 薄い金属膜内のナノホールは、2つの表面プラズモン世界を接続する物理的アナログとしてのウォームホールとして機能できるか？
• RQ3 円柱ナノ構造内の非線形表面プラズモンモードは、低次元カルラツァ＝クライン理論の挙動をどの程度再現するか？
• RQ4 表面プラズモンの共鳴周波数における群速度の消失が、有効な事象の地平線形成とどのように関係するか？
• RQ5 固体系プラズモニック系は、極端な条件を要せず、曲がった時空における量子場理論効果を調べるためのテストベッドを提供できるか？

主な発見

• 金属表面の誘電体ドロップレットは、表面プラズモンの群速度がゼロになる領域を形成し、プラズモンに対してブラックホールを模倣する有効な事象の地平線を形成する。
• 表面プラズモン分散関係は、プラズモン共鳴周波数において位相速度および群速度が両方ともゼロに近づくことを示し、表面電荷および電場が発散することをもたらす。
• 薄い金属膜内のナノホールは、反対側の界面に存在する2つの表面プラズモンモードを接続するウォームホールとして機能し、調整可能な電磁的性質を有する。
• ナノワイヤおよびナノホール内の非線形円柱型表面プラズモンは、角運動量に比例する量子化されたキラル電荷を示し、カルラツァ＝クライン理論に類似した挙動を示す。
• 系の有効電磁応答、特にギロトロピーおよび光学活性は、磁場の存在下で金属の性質から自然に生じ、ゲージ場に類似した質量ゼロの量子を実現可能にする。
• 本モデルは、標準的なナノフォトニクス技術を用いてスケーラブルで常温で動作するプラットフォームを提供し、ヒッグス放射やウォームホール物理学などの重力アナログを研究可能にする。