[論文レビュー] Analytical Investigation of Magneto-Plasmons in Anisotropic Multi-layer Planar Waveguides Incorporating Magnetically Biased Graphene Sheets

Mohammad Bagher Heydari, Mohammad Hashem Vadjed Samiei|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2021

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 67被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、磁界偏位を施したグラフェンシートを有する異方性多層平面波ガイドの解析的モデルを提示し、磁気プラズモン分散関係を正確に計算可能にする。この手法は有効屈折率と伝搬損失を正確に予測でき、全波動シミュレーションによる検証がなされ、センサーやモジュレータなどのTHzデバイス向けにチューナブルなプラズモン的挙動を示す。

ABSTRACT

This article proposes a novel analytical model for the anisotropic multi-layer structures containing magnetically biased graphene sheets. The multi-layer structure is composed of various magnetic materials. An external magnetic field is applied, normal to the structure surface. Each graphene sheet, with an anisotropic conductivity tensor, has been sandwiched between two adjacent magnetic materials. Our model is used to find the dispersion relation of the structure. Now, obtaining plasmonic features of the structure, such as the effective index and propagation loss is straightforward. Four exemplary structural variants have been investigated to show the richness of the proposed general structure regarding the related specific plasmonic wave phenomena and effects. These aspects are essential to form our structural design platform to propose novel plasmonic devices such as biosensors, modulators, absorbers, transparent electrodes, and tunable metamaterials in THz frequencies. A very good agreement between the analytical and full-wave simulation results is seen.

研究の動機と目的

• 磁界偏位を施したグラフェンシートと異方性導電率を有する多層平面波ガイドを統合した一般化された解析的フレームワークの構築を目的とする。
• 垂直磁界偏位下におけるこのような構造内の磁気プラズモンモードの分散特性を調査することを目的とする。
• 有効屈折率および伝搬損失の解析を通じて、チューナブルなTHzプラズモンデバイスの設計を可能とすることを目的とする。
• 正確性と信頼性を確認するため、解析的モデルを全波動シミュレーション結果と比較して検証することを目的とする。
• デバイス応用の可能性を評価するため、4つの代表的構造バリアントを用いて多様なプラズモン現象を探索することを目的とする。

提案手法

• 垂直外部磁界下における磁界偏位グラフェンシートを有する多層波ガイドの電磁気境界値問題を、伝達行列法を用いて定式化する。
• 各グラフェンシートを垂直磁界下における異方性導電率テンソルでモデル化する。
• 各界面における連続条件を用いて波動方程式を解き、分散関係を導出する。
• 一般化されたスネルの法則およびインピーダンス整合の原則を適用してモード伝搬定数を決定する。
• 導出された分散関係に基づき、有効屈折率および伝搬損失の解析的式を用いる。
• 全波動シミュレーションとの比較を通じて結果を検証し、良好な一致が得られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁界偏位を施したグラフェンの異方性導電率は、多層波ガイド内の表面プラズモンモードの分散にどのように影響するか？
• RQ2 磁界偏位の強さを変化させることで、積層構造内の磁気プラズモンの有効屈折率および伝搬損失にどのような影響が生じるか？
• RQ3 異なる構造的配置（例：層の順序、材料選択）は、プラズモンモードの励起およびチューナビリティにどのように影響するか？
• RQ4 全波動シミュレーションと比較して、解析的モデルはどの程度正確にプラズモン挙動を予測できるか？
• RQ5 提案された構造で顕在するどのようなプラズモン現象が、新規なTHzデバイス応用を可能にするか？

主な発見

• 解析的モデルは、磁界偏位グラフェンを有する異方性多層波ガイドにおける磁気プラズモン分散関係を正確に予測できる。
• 解析的結果と全波動シミュレーションデータとの間に強い一致が観察され、モデルの妥当性が確認された。
• 有効屈折率および伝搬損失は、印加磁界の強さに応じてチューニング可能である。
• 4つの異なる構造的バリアントは、モードの閉じ込めや周波数チューニングを含む豊富なプラズモン現象を示した。
• この構造は、THz周波数帯域においてチューナブルで低損失のプラズモンモードをサポートでき、バイオセンサーやモジュレータに適している。
• 磁界偏位下におけるグラフェンの異方性導電率は、方向選択的かつ周波数選択的プラズモン応答を可能にする。