[논문 리뷰] Invisible waveguides on metal plates for plasmonic analogues of electromagnetic wormholes

Muamer Kadic, Guillaume Dupont외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 11.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 표면 플라즈몬 포라리톤(SPPs)을 금속 판 위에서 비가시적으로 유도하는 토러이드 메타물질을 사용하여 전자기 웜홀의 플라즈몬 성분을 제안한다. 변환 플라즈모닉스를 적용하여, 산란 없이 장애물을 둘러싸는 다층 자기성 또는 유전율 메타물질을 설계하였으며, 이는 가시 주파수(700 nm)에서 SPP 전파에 최소한의 교란을 초래하는 실험적으로 구현 가능한 균일한 등방성 층을 보여준다.

ABSTRACT

We introduce two types of toroidal metamaterials which are invisible to surface plasmon polaritons (SPPs) propagating on a metal surface. The former is a toroidal handlebody bridging remote holes on the metal surface: It works as a kind of plasmonic counterpart of electromagnetic wormholes. The latter is a toroidal ring lying on the metal surface: This bridges two disconnected metal surfaces i.e. It connects a thin metal cylinder to a flat metal surface with a hole. Full-wave numerical simulations demonstrate that an electromagnetic field propagating inside these metamaterials does not disturb the propagation of SPPs at the metal surface. A multilayered design of these devices is proposed, based on effective medium theory for a set of reduced parameters: The former plasmonic analogue of electromagnetic wormhole requires homogeneous isotropic magnetic layers, while the latter merely requires dielectric layers.

연구 동기 및 목표

• 금속 표면에서 표면 플라즈몬 포라리톤(SPPs)에 전자기 웜홀 개념을 확장하기 위해.
• SPP 전파를 방해하지 않고 SPP를 유도하는 비가시 웨이브가이드를 설계하여 시공간 내의 위상적 단서를 모방하기 위해.
• 균질화 이론을 사용하여 효과적 매개변수를 감소시킨 실험적으로 실현 가능한 다층 메타물질 구조를 개발하기 위해.
• SPP가 산란이나 전기장 왜곡 없이 토러이드 메타물질을 통과할 수 있음을 입증하기 위해.
• 확장 가능하고 다층적인 설계를 통해 플라즈몬 웨이브가이딩, 센서 기술 및 광학 컴퓨팅 분야의 실용적 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 금속 표면의 두 구멍을 연결하는 토러이드 핸들바디에 대해 비균일하고 이방성의 허용도 및 투자율 텐서를 유도하기 위해 변환 플라즈모닉스를 적용한다.
• 3차원 SPP 전파를 모델링하고 메타물질 웨이브가이드의 비가시성을 검증하기 위해 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 수행한다.
• 효과적 매질 이론을 구현하여 메타물질을 등방성 자기성 또는 유전율 물질의 교차층으로 균질화한다.
• 식 (5)를 사용하여 균질화된 층의 매개변수를 유도한다: $\frac{1}{\lambda_{rr}} = \frac{1}{1+\eta}\left(\frac{1}{\lambda_A} + \frac{\eta}{\lambda_B}\right)$, $\lambda_{uu} = \lambda_{vv} = \frac{\lambda_A + \eta\lambda_B}{1+\eta}$, 여기서 $\eta = d_B/d_A$.
• 이deal 클로킹 행동을 근사화하기 위해 두께 60 nm의 교차층과 특정 $\mu_i$ 또는 $\varepsilon_i$ 값으로 다층 자기성 및 유전율 웜홀을 설계한다.
• 중앙 점원천에서의 SPP 자극 및 가우시안 빔 입사에 의해 성능을 검증하고, 방해를 받지 않은 波front와 부드러운 굴절을 관찰한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금속 표면에서 표면 플라즈몬 포라리톤(SPPs)에 전자기 웜홀 개념을 적용할 수 있는가?
• RQ2 SPP의 산란이나 전기장 왜곡 없이 SPP를 유도하기 위해 토러이드 메타물질을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ3 이상적인 플라즈몬 웜홀의 단순화된 다층 실현을 가능하게 하는 효과적 매질 매개변수는 무엇인가?
• RQ4 유전율 기반 다층 구조가 자기성 기반 웜홀의 성능을 재현할 수 있는가?
• RQ5 SPP 전파가 메타물질 웨이브가이드를 통과할 때 얼마나 거의 방해 없이 유지되는가?

주요 결과

• 토러이드 핸들바디 설계는 금속 판 위의 두 멀리 떨어진 구멍 사이에서 산란 없이 SPP를 유도하며, 전기장 패턴을 유지한다.
• 유한요소법 시뮬레이션은 점원천이 중심에 위치할 때조차 SPP가 메타물질을 최소한의 교란으로 통과함을 확인한다.
• 두께 60 nm, $\mu_i$ 값이 0.0032에서 7.97 사이인 14층의 교차층으로 구성된 자기성 다층 웜홀은 금속 장애물을 둘러싸는 가우시안 SPP 빔을 성공적으로 굴절시킨다.
• 유사한 두께와 $\varepsilon_i$ 값(0.0032에서 7.48 사이)을 가진 유전율 기반 버전은 동일한 성능을 보이며, 비자기 설계의 실현 가능성을 확인한다.
• 균질화 이론은 복잡한 이방성 텐서를 효과적 등방성 층으로 감소시켜 장치의 실험적 실현 가능성을 높인다.
• 중앙 원천에서 유도된 거의 등방성의 파면을 유지하여, 700 nm에서 SPP에 대해 웨이브가이드가 실제로 비가시하다는 것을 입증한다.