[论文解读] Surface-Plasmon-Polariton (SPP)-Like Acoustic Surface Waves on Elastic Metamaterials

Ke Deng, Zhaojian He+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2014

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

一句话总结

本文提出在弹性超材料上存在类似表面等离激元极化子（SPP）的声学表面波，证明当Lamé常数满足λ + μ = 0时，可产生具有SPP类色散特性的非传统声学表面波。分析框架及两种代表性超材料验证了这些波表现出强局域化和频率依赖性行为，类似于电磁SPP。

ABSTRACT

We investigate the dispersion properties of the acoustic surface waves on surface of elastic metamaterials. With an analytical approach, we show that unconventional acoustic surface waves, with dispersion behaviors very similar to the electromagnetic surface plasmon polaritons (SPPs) on metal surfaces, can exist on the elastic metamaterials around the frequency at which the elastic Lamé's constants satisfy lambda+mu=0. Two typical elastic metamaterials are exemplified to demonstrate such peculiar acoustic surface waves.

研究动机与目标

• 研究弹性超材料上非传统声学表面波的存在性及其色散特性。
• 识别在Lamé常数满足λ + μ = 0时，SPP类行为出现的材料条件。
• 通过分析建模证明此类声学表面波可表现出与电磁表面等离激元极化子（SPPs）类似的色散特性。
• 利用两种代表性弹性超材料结构验证理论预测。
• 在弹性系统中建立一类新型表面波，具有波导与传感应用潜力。

提出的方法

• 基于弹性动力学理论，采用解析方法推导弹性超材料上表面波的色散关系。
• 聚焦于λ + μ = 0的条件，此时弹性介质在其力学响应中表现出临界点。
• 采用半解析模型计算表面波模态及其频率-波数色散关系。
• 设计并分析两种代表性弹性超材料结构，以展示SPP类波的出现。
• 将声学表面波的色散行为与金属表面电磁SPPs的色散行为进行比较。
• 通过结构介质中波方程的数值与解析解，验证波的局域化特性与场分布特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在弹性超材料中是否存在具有SPP类色散特性的声学表面波？
• RQ2 在弹性Lamé常数中，何种特定条件可使SPP类声学表面波出现？
• RQ3 这些声学表面波的色散特性与电磁SPPs的色散特性有何异同？
• RQ4 何种弹性超材料结构配置可支持此类波的形成？
• RQ5 这些波在界面处的局域化程度如何，其对潜在应用有何影响？

主要发现

• 理论上预测在弹性超材料上存在具有与电磁表面等离激元极化子（SPPs）色散关系高度相似的声学表面波。
• 确定Lamé常数中λ + μ = 0的条件为弹性声学表面波中SPP类行为出现的关键临界点。
• 这些波在界面处表现出强场局域化，类似于电磁SPPs的倏逝衰减特性。
• 两种不同的弹性超材料设计被证明可支持此类SPP类声学表面波，验证了该机制的鲁棒性。
• 声学波的色散曲线显示出具有负群速度和高约束性的频率区间，与电磁SPPs的关键特征相一致。
• 分析模型证实，波的行为受与SPPs相同的基本物理机制支配，但存在于声学领域，从而为弹性波控制开辟了新可能。