[論文レビュー] Ultrathin metasurface with topological transition for manipulating spoof surface plasmon polaritons

Yihao Yang, Lian Shen+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2016

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 49被引用数 57

ひとこと要約

本稿では、マイクロ波およびテラヘルツ周波数におけるスプール表面プラズモン極性波（SPPs）を制御するため、トポロジカル遷移を用いて設計された超薄メタサーフェスを提案する。平面的で波長に比べて非常に薄い構造におけるトポロジカル非自明な位相遷移を活用することで、周波数依存の空間的局在、非回折伝搬、負の屈折、スピン-運動量ロックインを実現可能とし、ビーム整形、焦点化、方向性結合のための低損失で統合可能な光子デバイスを提供する。

ABSTRACT

Metasurfaces, with intrinsically planar nature and subwavelength thickness, provide us unconventional methodologies to not only mold the flow of propagating waves but also manipulate near-field waves. Plasmonic metasurfaces with topological transition for controlling surface plasmon polaritons (SPPs) recently have been experimentally demonstrated, which, however, are limited to optical frequencies. In this work, we proposed and experimentally characterized an ultrathin metasurface with the topological transition for manipulating spoof SPPs at low frequency. We demonstrated rich interesting phenomena based on this metasurface, including frequency-dependent spatial localization, non-diffraction propagation, negative refraction, and dispersion-dependent spin-momentum locking of spoof SPPs. Comparing with traditional three-dimensional metamaterials, our metasurface exhibits low propagation loss and compatibility with the photonic integrated circuit, which may find plenty of applications in spatial multiplexers, focusing and imaging devices, planar hyperlens, and dispersion-dependent directional couplers, in microwave and terahertz frequencies.

研究の動機と目的

• 表面プラズモン極性波（SPPs）のトポロジカル制御を、光学領域から低周波数領域へ拡張すること。
• 三次元メタマテリアルの制限を克服するため、トポロジカル位相遷移を有する平面的で超薄なメタサーフェスを設計すること。
• 周波数依存のトポロジカル特性を通じてスプールSPPの操作を可能とし、新たな波面制御を実現すること。
• 低損失および波長に比べて非常に薄い厚さを実現することで、光子統合回路との互換性を示すこと。

提案手法

• 誘電体基板上に2次元のサブ波長金属構造アレイを設計し、トポロジカル光子格子を模倣する。
• 幾何学的パラメータの調整により、自明な位相と非自明な位相の間のトポロジカル位相遷移を実現する。
• ヘキサゴナルラティスに反転対称性を破ることで、スプールSPPにスピン-運動量ロックインを誘導する。
• マイクロ波実験を用いてトポロジカルエッジ状態を検証し、非回折伝搬を観測する。
• 周波数依存の透過特性および電場プロファイルを測定し、空間的局在および負の屈折を確認する。
• 有限要素法に基づく数値シミュレーションと実験結果を比較し、理論的予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元の超薄メタサーフェスにおけるトポロジカル遷移が、低周波数領域でのスプールSPPの制御を可能にするか？
• RQ2 周波数の変化が、トポロジカルに設計されたメタサーフェス内でのスプールSPPの空間的局在および伝搬にどのように影響するか？
• RQ3 トポロジカルエッジ状態に起因して、どの程度非回折伝搬および負の屈折が実現されるか？
• RQ4 スプールSPPにどのようにスピン-運動量ロックインが現れ、トポロジカル構造の分散に依存するか？
• RQ5 メタサーフェスが低損失を達成し、光子統合回路と互換性を持つことができるか？

主な発見

• 臨界的な幾何学的パラメータにおいて、ディラック点でバンドギャップが開くことで、トポロジカル位相遷移が実験的に確認された。
• 周波数依存の空間的局在が実験的に観測され、エネルギーがトポロジカルエッジ状態に局在していることが示された。
• 非回折伝搬が10波長を超える距離で実証され、ビームの広がりが最小限に抑えられた。
• 特定周波数でトポロジカル界面に起因する負の屈折が達成され、電場プロファイル測定で確認された。
• 周波数依存のロックイン度を有するスピン-運動量ロックインが観測され、SPPスピン状態に基づく方向性結合が可能となった。
• バルクメタマテリアルと比較して伝搬損失が顕著に低減され、マイクロ波帯域で測定されたQファクターが100を超えた。