초박형 금속 구조의 플라즈몬 메타물질의 역방향 스푸핑 표면파

Jun 22, 2024

Scientific Reports 6권, 기사 번호: 20448(2016) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

역평행 위상 및 그룹 속도를 갖는 역방향 파는 광자 메타물질과 관련하여 상당한 관심을 불러일으키는 음의 굴절 및 부회절 이미지와 관련된 기본 특성 중 하나입니다. 이론적으로 일부 플라즈몬 구조는 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)의 역방향 파동 전파를 지원할 수 있다고 예측되었지만, 우리가 아는 한 직접적인 실험적 시연은 보고되지 않았습니다. 본 논문에서는 역방향 스푸핑 SPP 파동 전파를 지원할 수 있도록 특별히 설계된 주름진 금속 스트립의 플라즈몬 메타물질이 제안되었습니다. 분산 분석, 전체 전자기장 시뮬레이션 및 플라즈몬 메타물질 도파관의 전송 측정은 음의 기울기와 그룹 및 위상 속도의 반대 방향을 갖는 분산 관계를 갖는 역방향 파동 전파를 명확하게 검증했습니다. 추가 검증 및 적용으로 마이크로파 신호를 서로 다른 작동 주파수의 반대 단자로 라우팅할 수 있는 역방향 커플러가 설계 및 테스트되었으며, 이는 마이크로파 및 테라헤르츠 방사선용 통합 기능 장치 및 회로에서 플라즈몬 메타물질의 새로운 적용 기회를 나타냅니다.

역방향 전자기(EM)파는 일반적으로 위상 및 군속도1의 반대 방향으로 전파되는 파동으로 정의됩니다. 이는 메타물질, 특히 음의 유전율과 투자율을 동시에 갖는 왼손 또는 이중 음의 메타물질과 관련하여 지난 10년 동안 상당한 관심을 끌었습니다2,3. 역방향 파동은 음의 굴절3의 기초를 형성하고 명백한 잠재력으로 회절 한계를 극복하는 광학 해상도를 달성하는 것을 목표로 하는 완벽한 렌즈4,5 또는 하이퍼렌즈6,7와 같은 다른 흥미로운 현상의 기초가 되는 메타물질과 관련된 중요한 특성 중 하나입니다. 광학 이미징 및 리소그래피용. 역파는 왼손 메타물질(왼손 전송선8,9)의 회로 비유에서도 잘 입증되었으며 많은 새로운 EM 구성요소 또는 안테나 개념10에서 활용되었습니다.

표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)은 광학 주파수에서 유전체-금속 인터페이스를 따라 전파되는 표면 EM파입니다. 하위 파장 스케일에 대한 강력한 필드 감금과 그에 따른 유전체-금속 인터페이스의 필드 향상으로 인해 SPP는 회절 한계를 극복하고 빛 파장보다 작은 스케일을 가진 소형화된 광학 집적 회로 및 장치로 이어질 수 있습니다. . 유전체-금속 경계면의 SPP파의 경우, EM파는 유전체 내부에서는 앞으로 나오지만 음의 유전율을 갖는 금속 내부에서는 뒤로 갑니다. 그러나 에너지의 상당 부분이 유전체에서 흘러 SPP 파의 순 동작을 순방향 파로 만듭니다. 금속-절연체-금속(MIM) 또는 절연체-금속-절연체(IMI) 구조 중 적절하게 설계된 3층 도파관이 SPP의 역방향 파동 전파를 탐구하기 위해 많은 이론적 연구가 수행되었습니다. 역방향 전파 또는 음수 인덱스 모드18,22. 이러한 MIM 도파관에서 흥미로운 음의 굴절이 실험적으로 설명되었지만 명확한 역평행 위상 및 그룹 속도를 갖는 플라즈몬 도파관에서 역방향 SPP 파의 직접적인 시연은 여전히 ​​부족합니다. 이는 이러한 플라즈몬 도파관에서 단지 몇 가지 파장의 전파 길이로 이어지는 SPP의 강한 감쇠 특성에 기인할 수 있습니다.

금속은 기본적으로 원적외선에서 플라즈마 주파수 이하의 완벽한 전기 전도체로 동작하기 때문에 SPP를 더 낮은 주파수로 직접 확장할 수 없습니다. SPP 파의 파장 이하 규모에서 높은 필드 감금 및 향상을 활용하기 위해, 하위 파장 규모의 주름 또는 딤플로 질감이 있는 금속 표면으로 구성된 플라즈몬 메타물질이 제안되었으며, 그 표면 플라즈몬 주파수는 기하학적 매개변수에 의해 조정될 수 있습니다. 구조24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. 이러한 소위 "스푸핑" 또는 "디자이너" SPP는 광학 SPP와 유사한 분산 관계 및 필드 특성을 갖지만 마이크로파 또는 테라헤르츠 영역까지 낮은 주파수에서 작동합니다. 최근에는 임의의 곡면에 등각 표면 플라즈몬(CSP)을 전파하기 위해 보다 실용적인 구조인 초박형 골판지 금속 스트립이 제안되었으며, 이는 마이크로파 및 테라헤르츠 주파수에서 SPP 장치 및 회로 응용 분야의 잠재적 후보임이 입증되었습니다. ,37,38.