Elektromagnetický metasurface - Electromagnetic metasurface

An elektromagnetický metasurface odkazuje na druh umělého plošného materiálu s tloušťkou pod vlnovou délkou. Metasurfaces mohou být buď strukturované nebo nestrukturované s vzory vlnových délek v horizontálních rozměrech.[1]

V elektromagnetické teorii metasurfaces modulují chování elektromagnetických vln přes specifické okrajové podmínky, spíše než konstitutivní parametry v trojrozměrném (3D) prostoru, který se běžně využívá v přírodních materiálech a metamateriály. Metasurfaces může také odkazovat na dvourozměrné protějšky metamateriálů.[2]

Definice

Vědci definovali metasurfaces několika způsoby.

1, „Alternativní přístup, který si v posledních letech získal zvýšenou pozornost, se zabývá jednorozměrnými (1D a 2D) plazmonickými poli s periodicitou subwavelength, také známými jako metasurfaces. Vzhledem ke své zanedbatelné tloušťce ve srovnání s vlnovou délkou provozu lze metasurfaces (blízké rezonance složek jednotkových buněk) považovat za rozhraní diskontinuity vynucující náhlou změnu jak v amplitudě, tak ve fázi dopadajícího světla “.[3]

2, „Naše výsledky lze pochopit pomocí konceptu metasurface, periodického pole rozptylových prvků, jejichž rozměry a periody jsou malé ve srovnání s provozní vlnovou délkou“.[4]

3, „Metasurfaces založené na tenkých filmech“. Vysoce absorpční ultratenký film na podkladu lze také považovat za metasurface, jehož vlastnosti se v přírodních materiálech nevyskytují.[1] Podle této definice jsou tenké kovové filmy, jako například v superlens jsou také časný typ metasurfaces.[5]

Dějiny

Výzkum elektromagnetických metasurfaces má dlouhou historii. Počátkem roku 1902, Robert W. Wood zjistili, že reflexní spektra kovových mřížek o vlnové délce měla tmavé oblasti. Tento neobvyklý jev byl pojmenován Woodova anomálie a vedl k objevu povrchového plazmonového polaritonu (SPP),[6] zvláštní elektromagnetická vlna buzená na kovových površích. Následně další důležitý jev, vztah Levi-Civita,[7] byl zaveden, který uvádí, že film tlustý o vlnové délce může mít za následek dramatickou změnu elektromagnetických okrajových podmínek.

Obecně řečeno, metasurfaces by mohly zahrnovat některé tradiční koncepty v mikrovlnném spektru, jako jsou frekvenčně selektivní povrchy (FSS), impedanční desky a dokonce ohmické desky. V mikrovlnném režimu může být tloušťka těchto metapovrch mnohem menší než provozní vlnová délka (například 1/1000 vlnové délky), protože hloubka kůže může být u vysoce vodivých kovů extrémně malá. V poslední době některé nové jevy, jako je ultra-širokopásmové připojení koherentní dokonalá absorpce byly předvedeny. Výsledky ukázaly, že film o tloušťce 0,3 nm může absorbovat všechny elektromagnetické vlny přes vysokofrekvenční, mikrovlnné a terahertzové frekvence.[8][9][10]

V optických aplikacích, an antireflexní vrstva lze také považovat za jednoduchý metasurface, jak poprvé pozoroval lord Rayleigh.

V posledních letech bylo vyvinuto několik nových metasurfaces, včetně plazmonický metasurfaces,[11][2][3][12][13]metasurfaces založené na geometrických fázích,[14][15]a metasurfaces na základě impedančních listů.[16][17]

Aplikace

Jednou z nejdůležitějších aplikací metasurfaces je ovládání vlnoplochy elektromagnetických vln tím, že udělí místní, gradientní fázové posuny příchozím vlnám, což vede k zevšeobecnění starověkého zákony odrazu a lomu.[14] Tímto způsobem lze metasurface použít jako rovinnou čočku,[18][19] rovinný hologram,[20] generátor vírů,[21] deflektor paprsku, axicon a tak dále.[15][22]

Kromě přechodových metasurface čoček, metasurface-based superčočky nabízejí další stupeň kontroly vlnoplochy pomocí evanescentních vln. S povrchovými plazmony v ultratenkých kovových vrstvách je možné dosáhnout dokonalého zobrazování a litografie s vysokým rozlišením, což ruší běžný předpoklad, že všechny systémy optických čoček jsou omezeny difrakcí, což je jev zvaný difrakční limit.[23][24]

Další slibná aplikace je v oboru technologie stealth. Cíl průřez radaru (RCS) byl konvenčně snížen o jeden materiál absorbující záření (RAM) nebo účelovým tvarováním cílů tak, aby rozptýlená energie mohla být přesměrována pryč od zdroje. RAM mají bohužel funkčnost úzkého frekvenčního pásma a tvarování účelu omezuje aerodynamický výkon cíle. Byly syntetizovány metasurfaces, které přesměrovaly rozptýlenou energii od zdroje pomocí teorie obou polí [25][26][27] nebo zobecněný Snellov zákon.[28][29] To vedlo k aerodynamicky příznivým tvarům pro cíle se sníženým RCS.

Kromě toho se metasurfaces také používají v elektromagnetických absorbérech, polarizačních převaděčích a spektrálních filtrech.

Reference

  1. ^ A b Yu, Nanfang; Capasso, Federico (2014). "Plochá optika s designérskými metasurfaces". Nat. Mater. 13: 139–150. Bibcode:2014NatMa..13..139Y. doi:10.1038 / nmat3839.
  2. ^ A b Zeng, S .; et al. (2015). „Architektury metasurface-grafen-zlato pro ultracitlivý plazmonický biosenzor“. Pokročilé materiály. 27: 6163–6169. doi:10.1002 / adma.201501754. PMID  26349431.
  3. ^ A b Pors, Anders; Bozhevolnyi, Sergey I. (2013). "Plasmonické metasurfaces pro efektivní řízení fáze v odrazu". Optika Express. 21: 27438. Bibcode:2013Oexpr..2127438P. doi:10.1364 / OE.21.027438.
  4. ^ Li, Ping-Chun; Zhao, Yang; Alu, Andrea; Yu, Edward T. (2011). "Experimentální realizace a modelování frekvenčně selektivního plazmonického metasurfaceu na vlnovou délku". Appl. Phys. Lett. 99: 221106. Bibcode:2011ApPhL..99c1106B. doi:10.1063/1.3614557.
  5. ^ Pendry, J. B. (2000). „Negativní lom dělá perfektní čočku“ (PDF). Dopisy o fyzické kontrole. 85 (18): 3966–9. Bibcode:2000PhRvL..85.3966P. doi:10.1103 / PhysRevLett.85.3966. PMID  11041972. Archivovány od originál (PDF) dne 2016-04-18. Citováno 2015-05-21.
  6. ^ Wood, R. W. (1902). „K pozoruhodnému případu nerovnoměrného rozložení světla ve spektru difrakční mřížky“ (PDF). Proc. Phys. Soc. Lond. 18: 269–275. Bibcode:1902PPSL ... 18..269W. doi:10.1088/1478-7814/18/1/325.
  7. ^ Senior, T. (1981). "Přibližné okrajové podmínky". IEEE Trans. Antény Propag. 29: 826–829. Bibcode:1981ITAP ... 29..826S. doi:10.1109 / tap.1981.1142657.
  8. ^ Pu, M .; et al. (17. ledna 2012). "Ultratenký širokopásmový téměř dokonalý absorbér se symetrickým koherentním osvětlením". Optika Express. 20 (3): 2246–2254. Bibcode:2012Oexpr..20.2246P. doi:10,1364 / oe.20.002246.
  9. ^ Li, S .; et al. (2015). „Širokopásmová dokonalá absorpce ultratenkých vodivých filmů s koherentním osvětlením: super výkon elektromagnetické absorpce“. Fyzický přehled B. 91. arXiv:1406.1847. Bibcode:2015PhRvB..91v0301L. doi:10.1103 / PhysRevB.91.220301.
  10. ^ Taghvaee, H.R .; et al. (2017). "Obvodové modelování absorbéru grafenu v terahertzovém pásmu". Optická komunikace. 383: 11–16. doi:10.1016 / j.optcom.2016.08.059.
  11. ^ Ni, X .; Emani, N. K.; Kildishev, A.V .; Boltasseva, A .; Shalaev, V.M. (2012). „Širokopásmové ohýbání světla s plazmonickými nanoantenami“. Věda. 335: 427. doi:10.1126 / science.1214686.
  12. ^ Verslegers, Lieven; Fan, Shanhui (2009). "Planární čočky založené na nanoscale štěrbinových polích v kovovém filmu". Nano Lett. 9: 235–238. Bibcode:2009NanoL ... 9..235V. doi:10.1021 / nl802830y.
  13. ^ Kildishev, A. V .; Boltasseva, A .; Shalaev, V. M. (2013). "Planární fotonika s metasurfaces". Věda. 339: 1232009. doi:10.1126 / science.1232009.
  14. ^ A b Yu, Nanfang; Genevet, Patrice; Michail Kats; Aieta, Francesco; Tetienne, Jean-Philippe; Capasso, Federico; Gaburro, Zeno (2011). „Šíření světla s fázovými diskontinuitami: Obecné zákony odrazu a lomu“. Věda. 334: 333–337. Bibcode:2011Sci ... 334..333Y. doi:10.1126 / science.1210713. PMID  21885733.
  15. ^ A b Lin, Dianmin; Ventilátor, Pengyu; Hasman, Erez; Brongersma, Mark L. (2014). "Dielektrické gradientní metasurface optické prvky". Věda. 345: 298–302. Bibcode:2014Sci ... 345..298L. doi:10.1126 / science.1253213. PMID  25035488.
  16. ^ Pfeiffer, Carl; Grbic, Anthony (2013). „Metamateriál Huygens 'Surfaces: Tailoring Wave Fronts with Reflectless Sheets“. Phys. Rev. Lett. 110: 197401. arXiv:1206.0852. Bibcode:2013PhRvL.110b7401W. doi:10.1103 / PhysRevLett.110.027401.
  17. ^ Felbacq, Didier (2015). "Impedanční operátor popis metasurface". Matematické problémy ve strojírenství. 2015: 473079. doi:10.1155/2015/473079.
  18. ^ Aieta, Francesco; Genevet, Patrice; Kats, Michail; Yu, Nanfang; Blanchard, Romain; Gaburro, Zeno; Capasso, Federico (2012). „Ultratenké ploché čočky a axicony bez aberace na vlnových délkách telekomunikací založené na plazmonických metasurfaces“. Nano dopisy. 12: 4932–6. arXiv:1207.2194. Bibcode:2012NanoL..12.4932A. doi:10.1021 / nl302516v. PMID  22894542.
  19. ^ Ni, X .; Ishii, S .; Kildishev, A.V .; Shalaev, V.M. (2013). „Ultratenký, planární, Babinetově obrácený plazmonický metalenses“ (PDF). Světlo: Věda a aplikace. 2: e72. doi:10.1038 / lsa.2013.28.
  20. ^ Ni, X .; Kildishev, A.V .; Shalaev, V.M. "Metasurface holograms for visible light" (PDF). Příroda komunikace. 4: 1–6. doi:10.1038 / ncomms3807.
  21. ^ Genevet, Patrice; Yu, Nanfang; Aieta, Francesco; Lin, Jiao; Kats, Michail; Blanchard, Romain; Scullyová, Marlan; Gaburro, Zeno; Capasso, Federico (2012). „Ultratenká plazmonická optická vírová destička založená na fázových nespojitostech“. Aplikovaná fyzikální písmena. 100: 013101. Bibcode:2012ApPhL.100a3101G. doi:10.1063/1.3673334.
  22. ^ Xu, T .; et al. (2008). "Plasmonický deflektor". Opt. Vyjádřit. 16: 4753. Bibcode:2008Oexpr..16,4753X. doi:10,1364 / oe.16.004753.
  23. ^ Luo, Xiangang; Ishihara, Teruya (2004). "Technika povrchové plazmonové rezonanční interferenční nanolitografie". Appl. Phys. Lett. 84: 4780. Bibcode:2004ApPhL..84,4780L. doi:10.1063/1.1760221.
  24. ^ Fang, Nicholas; Lee, Hyesog; Sun, Cheng; Zhang, Xiang (2005). „Optické zobrazování omezené na subdifrakci se stříbrnými Superlens“. Věda. 308: 534–7. Bibcode:2005Sci ... 308..534F. doi:10.1126 / science.1108759. PMID  15845849.
  25. ^ Modi, A. Y .; Alyahya, M. A .; Balanis, C. A .; Birtcher, C. R. (2019). „Metasurface metoda založená na širokopásmovém RCS redukci dihedrálních rohových reflektorů s více odrazy“. Transakce IEEE na anténách a šíření: 1. doi:10.1109 / TAP.2019.2940494.
  26. ^ Modi, A. Y .; Balanis, C. A .; Birtcher, C. R .; Shaman, H. (2019). „Nová třída metasurfacitů s redukcí RCS založená na zrušení rozptylu pomocí teorie pole“. Transakce IEEE na anténách a šíření. 67 (1): 298–308. doi:10.1109 / TAP.2018.2878641.
  27. ^ Modi, A. Y .; Balanis, C. A .; Birtcher, C. R .; Shaman, H. (2017). "Nový design ultrabroadbandových radarových průřezových redukčních povrchů pomocí umělých magnetických vodičů". Transakce IEEE na anténách a šíření. 65: 5406–5417. Bibcode:2017ITAP ... 65.5406M. doi:10.1109 / TAP.2017.2734069.
  28. ^ Li, Yongfeng; Zhang, Jieqiu; Qu, Shaobo; Wang, Jiafu; Chen, Hongya; Xu, Zhuo; Zhang, Anxue (2014). "Redukce širokopásmového radarového průřezu pomocí dvourozměrných metasurfáz s fázovým gradientem". Aplikovaná fyzikální písmena. 104: 221110. Bibcode:2014ApPhL.104v1110L. doi:10.1063/1.4881935.
  29. ^ Yu, Nanfang; Genevet, Patrice; Kats, Michail A .; Aieta, Francesco; Tetienne, Jean-Philippe; Capasso, Federico; Gaburro, Zeno (říjen 2011). „Šíření světla s fázovými diskontinuitami: Obecné zákony odrazu a lomu“. Věda. 334 (6054): 333. Bibcode:2011Sci ... 334..333Y. doi:10.1126 / science.1210713. PMID  21885733.