[论文解读] Metamaterials with interacting Metaatoms

A. Chipouline, Srikanth Sugavanam+2 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2012

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 10被引用 3

一句话总结

该论文为具有近场相互作用元原子的超材料开发了一种基于多极子的解析均质化模型，假设仅在周期性排列的相同层之间存在横向耦合。结果表明，相互作用导致空间色散，使波矢的实部和虚部均以相似的百分比增加，尽管色散特性被修改，但分辨率增强仍受限制。

ABSTRACT

An analytical model for homogenization of Metamaterials (MM) with interacting Metaatoms (MA) is developed based on multipole approach for bulk media. The interaction is assumed to be near field type. i.e. no retardation in lateral direction between adjacent MAs is assumed. The interaction takes place between the adjacent MAs only in lateral (perpendicular to the propagation) direction; the considered MM is supposed to consist of non-interacting identical layers with periodically spaced MAs. It is shown, that the interaction between MAs leads to significant changes of dispersion characteristics, in particular, appearance of the spatial dispersion is emphasized. The results indicate increase of the available real part of the k vector values and increase of imaginary part by the approximately same percentage, which leads to the final conclusion that the effect of coupling does not provide extra opportunities for the resolution enhancement.

研究动机与目标

• 为具有近场耦合元原子的超材料开发均质化模型。
• 分析横向（垂直于传播方向）相互作用对色散特性的影响。
• 评估元原子之间的耦合是否能超越传统极限提升分辨率。
• 研究空间色散在元原子耦合超材料中的作用。

提出的方法

• 采用多极子展开方法，对体材料中元原子之间的电磁相互作用进行建模。
• 仅假设相邻元原子之间在横向（侧向）方向存在非推迟、近场耦合。
• 将超材料建模为一系列包含元原子的相同、周期性排列的层。
• 应用均质化技术，在考虑相互作用的前提下推导有效介质参数。
• 重点关注所得色散关系，特别是波矢分量。
• 仅考虑横向耦合，忽略传播方向上的延迟效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 元原子之间的近场横向相互作用如何影响超材料的有效色散特性？
• RQ2 元原子耦合在有效介质中在多大程度上引入了空间色散？
• RQ3 元原子之间的耦合是否能实现超越衍射极限的分辨率提升？
• RQ4 相互作用对波矢实部和虚部的定量影响是什么？

主要发现

• 元原子之间的相互作用在有效介质中引起显著的空间色散，改变了色散特性。
• 波矢实部的增加百分比与虚部大致相同。
• 实部和虚部波矢分量的对称增加限制了分辨率增强的潜在收益。
• 该模型证实，耦合并未为超分辨率成像提供额外机会。
• 在假设元原子之间仅存在非推迟、横向耦合的前提下，结果保持一致。
• 该解析框架为预测相互作用元原子基超材料的有效光学特性提供了基础。