Электромагнитная метаповерхность - Electromagnetic metasurface

An электромагнитная метаповерхность относится к виду искусственного листового материала с субволновой толщиной. Метаповерхности могут быть структурированными или неструктурированными с субволновыми структурами в горизонтальных измерениях.[1]

В теории электромагнетизма метаповерхности модулируют поведение электромагнитных волн посредством определенных граничных условий, а не определяющих параметров в трехмерном (3D) пространстве, которое обычно используется в природных материалах и материалах. метаматериалы. Метаповерхности могут также относиться к двумерным аналогам метаматериалов.[2]

Определения

Метаповерхности были определены исследователями по-разному.

1, «Альтернативный подход, который привлекает все большее внимание в последние годы, касается одно- и двумерных (1D и 2D) плазмонных решеток с субволновой периодичностью, также известных как метаповерхности. Из-за их пренебрежимо малой толщины по сравнению с рабочей длиной волны, метаповерхности (вблизи резонансов составляющих элементарной ячейки) могут рассматриваться как граница раздела неоднородности, вызывающая резкое изменение как амплитуды, так и фазы падающего света ».[3]

2, «Наши результаты можно понять, используя концепцию метаповерхности, периодического массива рассеивающих элементов, размеры и периоды которых малы по сравнению с рабочей длиной волны».[4]

3, «Метаповерхности на основе тонких пленок». Сверхтонкая пленка на подложке с высокой поглощающей способностью может также рассматриваться как метаповерхность со свойствами, не встречающимися в природных материалах.[1] Следуя этому определению, тонкие металлические пленки, такие как в суперлинза также являются ранним типом метаповерхностей.[5]

История

Исследование электромагнитных метаповерхностей имеет долгую историю. В начале 1902 г. Роберт В. Вуд обнаружили, что в спектрах отражения субволновой металлической решетки присутствуют темные участки. Это необычное явление было названо аномалией Вуда и привело к открытию поверхностного плазмон-поляритона (ПП),[6] особая электромагнитная волна, возбуждаемая на металлических поверхностях. Впоследствии другое важное явление, отношение Леви-Чивита,[7] было введено, в котором говорится, что пленка субволновой толщины может привести к резкому изменению электромагнитных граничных условий.

Вообще говоря, метаповерхности могут включать в себя некоторые традиционные концепции микроволнового спектра, такие как частотно-избирательные поверхности (FSS), импедансные пластины и даже омические пластины. В микроволновом режиме толщина этих метаповерхностей может быть намного меньше, чем рабочая длина волны (например, 1/1000 длины волны), поскольку глубина скин-слоя может быть чрезвычайно малой для металлов с высокой проводимостью. В последнее время появились некоторые новые явления, такие как сверхширокополосная связь. когерентное идеальное поглощение были продемонстрированы. Результаты показали, что пленка толщиной 0,3 нм может поглощать все электромагнитные волны в диапазоне радиочастот, микроволн и терагерцовых частот.[8][9][10]

В оптических приложениях антибликовое покрытие может также рассматриваться как простая метаповерхность, как впервые заметил лорд Рэлей.

В последние годы было разработано несколько новых метаповерхностей, в том числе плазмонный метаповерхности[11][2][3][12][13]метаповерхности на основе геометрических фаз,[14][15]и метаповерхности на основе импедансных таблиц.[16][17]

Приложения

Одним из наиболее важных приложений метаповерхностей является управление волновым фронтом электромагнитных волн путем придания локальным градиентным фазовым сдвигам набегающим волнам, что приводит к обобщению древних законы отражения и преломления.[14] Таким образом, метаповерхность может использоваться как плоская линза,[18][19] планарная голограмма,[20] генератор вихрей,[21] луч дефлектор, аксикон и тд.[15][22]

Помимо градиентных метаповерхностных линз, метаповерхностные суперлинзы предлагают другую степень контроля волнового фронта с помощью исчезающих волн. С поверхностными плазмонами в ультратонких металлических слоях могут быть возможны идеальные изображения и литография сверхвысокого разрешения, что разрушает общее предположение о том, что все системы оптических линз ограничены дифракцией, явлением, называемым предел дифракции.[23][24]

Еще одно перспективное применение - в области стелс-технология. Цель поперечное сечение радара (RCS) обычно сокращается либо радиационно-поглощающий материал (RAM) или целенаправленным формированием целей таким образом, чтобы рассеянная энергия могла быть перенаправлена ​​от источника. К сожалению, RAM имеют узкую полосу частот, а формирование цели ограничивает аэродинамические характеристики цели. Были синтезированы метаповерхности, которые перенаправляют рассеянную энергию от источника с использованием любой теории массивов. [25][26][27] или обобщенный закон Снеллиуса.[28][29] Это привело к созданию аэродинамически благоприятных форм для целей с уменьшенной RCS.

Кроме того, метаповерхности также применяются в электромагнитных поглотителях, преобразователях поляризации и спектральных фильтрах.

Рекомендации

  1. ^ а б Ю, Нанфан; Капассо, Федерико (2014). «Плоская оптика с дизайнерскими метаповерхностями». Nat. Матер. 13: 139–150. Bibcode:2014НатМа..13..139л. Дои:10.1038 / nmat3839.
  2. ^ а б Zeng, S .; и другие. (2015). «Архитектура метаповерхности графен-золото для сверхчувствительного плазмонного биочувствительности». Современные материалы. 27: 6163–6169. Дои:10.1002 / adma.201501754. PMID  26349431.
  3. ^ а б Порс, Андерс; Божевольный, Сергей И. (2013). «Плазмонные метаповерхности для эффективного управления фазой при отражении». Оптика Экспресс. 21: 27438. Bibcode:2013OExpr..2127438P. Дои:10.1364 / OE.21.027438.
  4. ^ Ли, Пинг-Чун; Чжао, Ян; Алу, Андреа; Ю, Эдвард Т. (2011). «Экспериментальная реализация и моделирование субволновой частотно-избирательной плазмонной метаповерхности». Appl. Phys. Латыш. 99: 221106. Bibcode:2011ApPhL..99c1106B. Дои:10.1063/1.3614557.
  5. ^ Пендри, Дж. Б. (2000). «Отрицательное преломление делает линзу идеальной» (PDF). Письма с физическими проверками. 85 (18): 3966–9. Bibcode:2000ПхРвЛ..85.3966П. Дои:10.1103 / PhysRevLett.85.3966. PMID  11041972. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-04-18. Получено 2015-05-21.
  6. ^ Вуд, Р. У. (1902). «О замечательном случае неравномерного распределения света в спектре дифракционной решетки» (PDF). Proc. Phys. Soc. Лондон. 18: 269–275. Bibcode:1902PPSL ... 18..269Вт. Дои:10.1088/1478-7814/18/1/325.
  7. ^ Старший, Т. (1981). «Примерные граничные условия». IEEE Trans. Антенны Propag. 29: 826–829. Bibcode:1981ITAP ... 29..826S. Дои:10.1109 / тап.1981.1142657.
  8. ^ Pu, M .; и другие. (17 января 2012 г.). «Ультратонкий широкополосный почти идеальный поглотитель с симметричным когерентным освещением». Оптика Экспресс. 20 (3): 2246–2254. Bibcode:2012OExpr..20.2246P. Дои:10.1364 / oe.20.002246.
  9. ^ Li, S .; и другие. (2015). «Широкополосное совершенное поглощение ультратонких проводящих пленок с когерентным освещением: превосходные характеристики электромагнитного поглощения». Физический обзор B. 91. arXiv:1406.1847. Bibcode:2015PhRvB..91v0301L. Дои:10.1103 / PhysRevB.91.220301.
  10. ^ Taghvaee, H.R .; и другие. (2017). «Схемное моделирование графенового поглотителя в терагерцовом диапазоне». Оптика Коммуникации. 383: 11–16. Дои:10.1016 / j.optcom.2016.08.059.
  11. ^ Ni, X .; Emani, N.K .; Кильдишев, А.В .; Болтассева, А .; Шалаев, В. (2012). «Широкополосный световой поворот с помощью плазмонных наноантенн». Наука. 335: 427. Дои:10.1126 / наука.1214686.
  12. ^ Верслегерс, Ливен; Фань, Шанхой (2009). «Планарные линзы на основе наноразмерных решеток в металлической пленке». Nano Lett. 9: 235–238. Bibcode:2009NanoL ... 9..235В. Дои:10.1021 / nl802830y.
  13. ^ Кильдишев, А. В .; Болтассева, А .; Шалаев, В. М. (2013). «Планарная фотоника с метаповерхностями». Наука. 339: 1232009. Дои:10.1126 / science.1232009.
  14. ^ а б Ю, Нанфан; Женевет, Патрис; Михаил Кац; Айета, Франческо; Тетьен, Жан-Филипп; Капассо, Федерико; Габурро, Зено (2011). «Распространение света с разрывами фазы: обобщенные законы отражения и преломления». Наука. 334: 333–337. Bibcode:2011Наука ... 334..333л. Дои:10.1126 / science.1210713. PMID  21885733.
  15. ^ а б Лин, Дяньминь; Фань, Пэнъю; Хасман, Эрез; Бронгерсма, Марк Л. (2014). «Диэлектрические градиентные метаповерхностные оптические элементы». Наука. 345: 298–302. Bibcode:2014Наука ... 345..298Л. Дои:10.1126 / science.1253213. PMID  25035488.
  16. ^ Пфайффер, Карл; Грбич, Энтони (2013). "Метаматериальные поверхности Гюйгенса: настройка волновых фронтов с помощью неотражающих листов". Phys. Rev. Lett. 110: 197401. arXiv:1206.0852. Bibcode:2013PhRvL.110b7401W. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.027401.
  17. ^ Фелбак, Дидье (2015). «Операторное описание импеданса метаповерхности». Математические проблемы в инженерии. 2015: 473079. Дои:10.1155/2015/473079.
  18. ^ Айета, Франческо; Женевет, Патрис; Кац, Михаил; Ю, Нанфан; Бланшар, Ромен; Габурро, Зенон; Капассо, Федерико (2012). «Ультратонкие плоские линзы без аберраций и аксиконы на телекоммуникационных длинах волн на основе плазмонных метаповерхностей». Нано буквы. 12: 4932–6. arXiv:1207.2194. Bibcode:2012НаноЛ..12.4932А. Дои:10.1021 / nl302516v. PMID  22894542.
  19. ^ Ni, X .; Ishii, S .; Кильдишев, А.В .; Шалаев, В. (2013). «Ультратонкие плоские плазмонные металены, инвертированные по Бабине» (PDF). Свет: наука и приложения. 2: e72. Дои:10.1038 / lsa.2013.28.
  20. ^ Ni, X .; Кильдишев, А.В .; Шалаев, В. «Метаповерхностные голограммы для видимого света» (PDF). Nature Communications. 4: 1–6. Дои:10.1038 / ncomms3807.
  21. ^ Женевет, Патрис; Ю, Нанфан; Айета, Франческо; Линь, Цзяо; Кац, Михаил; Бланшар, Ромен; Скалли, Марлан; Габурро, Зенон; Капассо, Федерико (2012). «Ультратонкая плазмонная оптическая вихревая пластинка на основе фазовых неоднородностей». Письма по прикладной физике. 100: 013101. Bibcode:2012АпФЛ.100а3101Г. Дои:10.1063/1.3673334.
  22. ^ Xu, T .; и другие. (2008). «Плазмонный дефлектор». Опт. выражать. 16: 4753. Bibcode:2008OExpr..16,4753X. Дои:10.1364 / oe.16.004753.
  23. ^ Ло, Сянган; Исихара, Теруя (2004). «Метод поверхностной плазмонной резонансной интерференционной нанолитографии». Appl. Phys. Латыш. 84: 4780. Bibcode:2004АпФЛ..84.4780Л. Дои:10.1063/1.1760221.
  24. ^ Клык, Николай; Ли, Хесог; Сунь, Ченг; Чжан, Сян (2005). "Оптическое изображение с ограничением субдифракции с помощью серебряной суперлинзы". Наука. 308: 534–7. Bibcode:2005Наука ... 308..534F. Дои:10.1126 / science.1108759. PMID  15845849.
  25. ^ Modi, A. Y .; Alyahya, M. A .; Balanis, C.A .; Биртчер, К. Р. (2019). «Метод на основе метаповерхности для широкополосного уменьшения RCS двугранных угловых отражателей с множественными отскоками». Транзакции IEEE по антеннам и распространению: 1. Дои:10.1109 / TAP.2019.2940494.
  26. ^ Modi, A. Y .; Balanis, C.A .; Birtcher, C.R .; Шаман, Х. (2019). «Новый класс метаповерхностей RCS-редукции на основе подавления рассеяния с использованием теории массивов». Транзакции IEEE по антеннам и распространению. 67 (1): 298–308. Дои:10.1109 / TAP.2018.2878641.
  27. ^ Modi, A. Y .; Balanis, C.A .; Birtcher, C.R .; Шаман, Х. (2017). «Новый дизайн поверхностей уменьшения поперечного сечения сверхширокополосного радара с использованием искусственных магнитных проводников». Транзакции IEEE по антеннам и распространению. 65: 5406–5417. Bibcode:2017ITAP ... 65,5406M. Дои:10.1109 / TAP.2017.2734069.
  28. ^ Ли, Юнфэн; Чжан, Цзецю; Цюй, Шаобо; Ван, Цзяфу; Чен, Хунья; Сюй, Чжо; Чжан, Аньсюэ (2014). «Уменьшение поперечного сечения широкополосного радара с использованием двумерных метаповерхностей фазового градиента». Письма по прикладной физике. 104: 221110. Bibcode:2014АпФЛ.104в1110Л. Дои:10.1063/1.4881935.
  29. ^ Ю, Нанфан; Женевет, Патрис; Кац, Михаил А .; Айета, Франческо; Тетьен, Жан-Филипп; Капассо, Федерико; Габурро, Зенон (октябрь 2011 г.). «Распространение света с разрывами фазы: обобщенные законы отражения и преломления». Наука. 334 (6054): 333. Bibcode:2011Наука ... 334..333л. Дои:10.1126 / science.1210713. PMID  21885733.