Onde de surface usurpée vers l'arrière dans un métamatériau plasmonique de structure métallique ultra-mince

Jun 22, 2024

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 20448 (2016) Citer cet article

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L'onde arrière avec des vitesses de phase et de groupe antiparallèles est l'une des propriétés fondamentales associées à l'image de réfraction négative et de sous-diffraction qui a suscité un intérêt considérable dans le contexte des métamatériaux photoniques. Il a été prédit théoriquement que certaines structures plasmoniques peuvent également prendre en charge la propagation vers l'arrière des polaritons de plasmons de surface (SPP), mais à notre connaissance, aucune démonstration expérimentale directe n'a été rapportée. Dans cet article, un métamatériau plasmonique spécialement conçu constitué d'une bande métallique ondulée a été proposé, capable de prendre en charge la propagation des ondes SPP par usurpation vers l'arrière. L'analyse de dispersion, la simulation complète du champ électromagnétique et la mesure de transmission du guide d'onde métamatériau plasmonique ont clairement validé la propagation des ondes vers l'arrière avec une relation de dispersion possédant une pente négative et des directions opposées des vitesses de groupe et de phase. À titre de vérification et d'application supplémentaires, un coupleur contradirectionnel est conçu et testé pour acheminer le signal micro-ondes vers des bornes opposées à différentes fréquences de fonctionnement, indiquant de nouvelles opportunités d'application du métamatériau plasmonique dans des dispositifs et circuits fonctionnels intégrés pour le rayonnement micro-ondes et térahertz.

L'onde électromagnétique (EM) vers l'arrière est généralement définie comme l'onde se propageant dans des directions opposées de sa phase et de ses vitesses de groupe1. Il a attiré une attention considérable au cours de la dernière décennie dans le contexte des métamatériaux, en particulier les métamatériaux gauchers ou doublement négatifs avec une permittivité et une perméabilité simultanément négatives2,3. L'onde arrière est l'une des propriétés particulières importantes associées aux métamatériaux qui constitue la base de la réfraction négative3 et est à la base d'autres phénomènes intéressants, tels que les lentilles parfaites4,5 ou les hyperlentilles6,7 qui visent à atteindre des résolutions optiques dépassant la limite de diffraction avec un potentiel évident. pour l'imagerie optique et la lithographie. L'onde arrière a également été bien démontrée dans l'analogie de circuit des métamatériaux gauchers - les lignes de transmission gauchers8,9 et a été utilisée dans de nombreux nouveaux composants EM ou concepts d'antenne10.

Les polaritons de plasmons de surface (SPP) sont des ondes EM de surface se propageant le long de l'interface diélectrique-métal à des fréquences optiques 11,12. En raison de leur fort confinement de champ à une échelle inférieure à la longueur d'onde et de l'amélioration du champ qui en résulte à l'interface diélectrique-métal, les SPP pourraient conduire au dépassement de la limite de diffraction13 et à des circuits intégrés optiques miniaturisés et à des dispositifs dont les échelles sont inférieures à la longueur d'onde de la lumière14,15,16. . Pour l’onde SPP sur une interface diélectrique-métal, l’onde EM va vers l’avant à l’intérieur du diélectrique mais vers l’arrière à l’intérieur du métal ayant une permittivité négative17. Cependant, une grande partie de l’énergie circule dans le diélectrique, ce qui fait que le comportement net de l’onde SPP est une onde directe. De nombreuses études théoriques ont été réalisées pour explorer la propagation des ondes vers l'arrière des SPP, qui révèlent qu'un guide d'ondes à trois couches correctement conçu, soit une structure métal-isolant-métal (MIM) ou isolant-métal-isolant (IMI), peut prendre en charge la propagation vers l'arrière ou mode d'indice négatif18,22. Bien qu'une réfraction négative intéressante ait été illustrée expérimentalement dans un tel guide d'onde MIM, la démonstration directe de l'onde SPP vers l'arrière dans un guide d'onde plasmonique avec une phase antiparallèle claire et des vitesses de groupe fait toujours défaut. Cela peut être attribué à la forte nature d'amortissement des SPP, qui conduit à une longueur de propagation de seulement quelques longueurs d'onde dans ces guides d'ondes plasmoniques .

Les SPP ne peuvent pas être directement adaptés à des fréquences plus basses, car le métal se comporte fondamentalement comme un parfait conducteur électrique en dessous de sa fréquence plasma dans l'infrarouge lointain. Afin d'utiliser le confinement de champ élevé et l'amélioration à l'échelle sub-longueur d'onde de l'onde SPP, des métamatériaux plasmoniques constitués d'une surface métallique texturée avec des ondulations ou des fossettes à l'échelle sub-longueur d'onde ont été proposés dont la fréquence de plasmon de surface peut être adaptée par les paramètres géométriques de l'onde SPP. structures24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Ces SPP dits « usurpés » ou « concepteurs » possèdent les mêmes relations de dispersion et propriétés de champ que les SPP optiques, mais fonctionnent à des fréquences plus basses jusqu'aux régimes micro-ondes ou térahertz. Récemment, une structure plus pratique - la bande métallique ondulée ultra-mince, a été proposée pour propager des plasmons de surface conformes (CSP) sur des surfaces arbitrairement incurvées, ce qui s'est avéré être un candidat potentiel pour les applications de dispositifs et de circuits SPP dans les fréquences micro-ondes et térahertz. ,37,38.