[论文解读] Invisible waveguides on metal plates for plasmonic analogues of electromagnetic wormholes

Muamer Kadic, Guillaume Dupont+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2011

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文提出使用环形超材料实现等离子体电磁虫洞的类比，通过在金属板上无辐射地引导表面等离子体极化激元（SPPs）。通过应用变换等离子体学，作者设计了多层磁性或电介质超材料，使SPPs绕过障碍物时无散射，实验上可行的均质各向同性层在可见光频率（700 nm）下对SPP传播扰动极小。

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.

研究动机与目标

• 将电磁虫洞概念扩展至金属表面的表面等离子体极化激元（SPPs）。
• 设计一种隐形波导，使SPPs在不扰动其传播的情况下被引导，模拟时空中的拓扑捷径。
• 利用均质化理论，开发实验上可行的多层超材料结构，以减少有效参数。
• 证明SPPs可通过环形超材料传播，而不会产生显著散射或场畸变。
• 通过可扩展的分层设计，实现等离子体波导、传感和光学生计算的实际应用。

提出的方法

• 应用变换等离子体学，推导用于连接金属表面两个孔洞的环形曲面体的各向异性和非均匀介电张量与磁导率张量。
• 使用有限元法（FEM）模拟三维SPP传播，验证超材料波导的隐身性。
• 采用有效介质理论，将超材料均质化为交替排列的各向同性磁性或电介质材料层。
• 利用公式（5）推导均质化层参数：$\frac{1}{\lambda_{rr}} = \frac{1}{1+\eta}\left(\frac{1}{\lambda_A} + \frac{\eta}{\lambda_B}\right)$，$\lambda_{uu} = \lambda_{vv} = \frac{\lambda_A + \eta\lambda_B}{1+\eta}$，其中$\eta = d_B/d_A$。
• 设计具有交替层（每层厚度60 nm）和特定$\mu_i$或$\varepsilon_i$值的多层磁性与电介质虫洞，以近似理想隐身行为。
• 通过中心点源激发SPP和高斯光束入射验证性能，观察到未受扰动的波前和平滑弯曲。

实验结果

研究问题

• RQ1 电磁虫洞概念能否被适配至金属表面的表面等离子体极化激元（SPPs）？
• RQ2 如何设计环形超材料，使其在不引起散射或场畸变的情况下引导SPPs？
• RQ3 何种有效介质参数可实现理想等离子体虫洞的简化多层结构？
• RQ4 基于电介质的多层结构能否复现基于磁性的虫洞在SPP引导中的性能？
• RQ5 当SPP通过超材料波导时，其传播在多大程度上保持未受扰动？

主要发现

• 环形曲面体设计成功地在金属板上两个远距离孔洞之间引导SPPs，无散射，且保持场分布模式。
• 有限元模拟证实，即使在中心放置点源，SPPs通过超材料时也仅有极小扰动。
• 具有14层交替层（每层60 nm厚）和特定$\mu_i$值（0.0032至7.97）的多层磁性虫洞，成功使高斯SPP光束绕过金属障碍物。
• 基于电介质的版本（相同层厚和$\varepsilon_i$值0.0032至7.48）表现出相同性能，证实非磁性设计的可行性。
• 均质化理论将复杂的各向异性张量简化为有效各向同性层，使器件在实验上可实现。
• 系统从中心源维持近似各向同性的波前，证明该波导在700 nm波长下对SPPs具有有效隐身性。