[论文解读] Magneto-Plasmons in Grounded Graphene-Based Structures with Anisotropic Cover and Substrate

Mohammad Heydari, Mohammad Hashem Vadjed Samiei|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2021

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 56被引用 9

一句话总结

本文提出了一种新型解析模型，用于分析具有各向异性覆盖层和基底的接地石墨烯基波导中的磁等离子体模式，其中外加垂直磁场在石墨烯中诱导出各向异性的电导率。该模型展示了通过磁场强度和石墨烯化学势对模态特性进行精确调控的能力，实现了非互易、可重构的太赫兹器件，且解析结果与仿真结果高度一致。

ABSTRACT

This paper aims to study the magneto-plasmons in an anisotropic graphene nano-waveguide with bigyrotropic cover and substrate. The substrate is backed by a perfect electromagnetic conductor (PEMC) layer, a general and ideal boundary, which can be transformed easily into the perfect electric conductor (PEC) or the perfect magnetic conductor (PMC) boundaries. The upper and bottom layers of the graphene sheet are made of different magnetic materials. The external magnetic field is applied perpendicularly to the structure surface, which can be provided by a permanent magnet placed underneath the ground plane. Hence, the graphene sheet has anisotropic conductivity tensor. A novel analytical model has been proposed for the general nano-waveguide to find its propagation properties. As special cases of the proposed general structure, two important new waveguides have been introduced and studied to show, first the richness of the proposed general nano-waveguide regarding the related specific plasmonic wave phenomena and effects, and second the validity and the high accuracy of the proposed model. The analytical and the simulation results are in an excellent agreement. It is shown that the modal properties of the proposed structure can be tuned effectively via the external magnetic field and the chemical potential of the graphene. Harnessing the non-reciprocity effect of anisotropic materials and the graphene sheet, the presented analytical model can be exploited to design tunable innovative devices in THz frequencies.

研究动机与目标

• 开发一种用于具有各向异性覆盖层和基底的石墨烯基波导中磁等离子体模式的一般解析框架。
• 研究外加垂直磁场对石墨烯中表面等离子体模传播特性的影响。
• 通过控制磁场强度和石墨烯化学势，展示模态特性的可调谐性。
• 通过与仿真结果对比验证该模型，并展示其高精度。
• 探索利用各向异性石墨烯结构设计非互易、可重构太赫兹器件的潜力。

提出的方法

• 构建了一般纳米波导结构，其中石墨烯薄片位于各向异性覆盖层和基底层之间，并背靠完美电磁导体（PEMC）层。
• 外加磁场在石墨烯中诱导出非对角电导率张量，从而产生各向异性的表面等离子体模式。
• 通过在各界面应用边界条件，并引入石墨烯的各向异性电导率张量，求解麦克斯韦方程组。
• 通过求解所得特征值问题，解析推导出磁等离子体的色散关系。
• 分析一般结构的特例以验证模型，包括等效于PEC和PMC边界的情况。
• 进行数值仿真以确认解析预测结果，模态特性表现出极佳的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 外加垂直磁场如何影响石墨烯基波导中表面等离子体模的传播常数和场分布？
• RQ2 通过磁场强度和石墨烯化学势，模态特性在多大程度上可被调谐？
• RQ3 各向异性覆盖层和基底在实现系统中非互易等离子体行为方面起到何种作用？
• RQ4 与全波仿真相比，所提出的解析模型在预测色散特性方面的准确性如何？
• RQ5 该通用模型能否简化为已知配置（例如PEC或PMC边界）以验证其一致性和普适性？

主要发现

• 该解析模型能准确预测磁等离子体的色散特性，且解析结果与仿真结果高度一致。
• 模态特性（包括传播常数和场约束）可通过外加磁场和石墨烯化学势有效调谐。
• 由于磁场诱导的各向异性电导率，该结构表现出强烈的非互易性，可实现隔离和方向依赖的传输。
• PEMC背衬层提供了一般边界条件，可转换为PEC或PMC，增强了设计灵活性。
• 所提出的模型可成功简化为已知特例，证实了其有效性和普适性。
• 该系统在太赫兹频段支持可调谐、非互易的表面等离子体模，适用于可重构光子器件。