Поверхностные волны Дьяконова

Поверхностные волны Дьяконова (DSW — Dyakonov surface wave) — это поверхностные электромагнитные волны, которые распространяются по границе раздела между изотропной и одноосной двулучепреломляющей средой. Теоретически они были предсказаны в 1988 году российским физиком Михаилом Дьяконовым[1]. В отличие от других типов акустических и электромагнитных поверхностных волн, существование DSW связано с различием в симметрии материалов, образующих поверхность раздела. Он рассмотрел границу раздела между изотропной передающей средой и анизотропным одноосным кристаллом и показал, что при определенных условиях должны существовать волны, локализованные на границе раздела. Позже было предсказано, что аналогичные волны существуют на границе двух одинаковых одноосных кристаллов с разной ориентацией . [2] Ранее известные электромагнитные поверхностные волны, поверхностные плазмоны и поверхностные плазмон-поляритоны существуют при условии, что диэлектрическая проницаемость одного из материалов, образующих границу раздела, отрицательна, а другого - положительна (например, это имеет место для воздуха / металлический интерфейс ниже плазменной частоты ). Напротив, DSW может распространяться, когда оба материала прозрачны; следовательно, они практически не имеют потерь, что является самым примечательным их свойством.

В последние годы значение и потенциал DSW привлекли внимание многих исследователей: изменение основных свойств одного или обоих из двух материалов-партнеров - например, из-за инфильтрации каким-либо химическим или биологическим агентом - может быть ощутимым. изменить характеристики волны. Следовательно, предусмотрены многочисленные потенциальные применения, включая устройства для интегрированной оптики, химического и биологического зондирования поверхности и т. д[3]. Однако нелегко удовлетворить необходимые условия для DSW, и из-за этого о первом экспериментальном доказательстве принципа наблюдения DSW[4] было сообщено только через 20 лет после первоначального предсказания.

Появилось большое количество теоретических работ, посвященных различным аспектам этого явления, см. Подробный обзор[5]. В частности, изучалось распространение DSW на магнитных границах раздела[6] в левовращающих материалах[7] в электрооптических[8][9] и хиральных[10] материалах. Было предсказано резонансное пропускание из-за DSW в структурах с использованием призм[11], а также изучена и наблюдалась комбинация и взаимодействие между DSW и поверхностными плазмонами (плазмонами Дьяконова)[12][13][14][15][16].

Физические свойства

Простейшая конфигурация, рассмотренная в [5]. 1 состоит из границы раздела между изотропным материалом с диэлектрической проницаемостью ε и одноосным кристаллом с диэлектрической проницаемостью ε0 и εe для обыкновенной и необыкновенной волн соответственно. Ось кристалла C параллельна границе раздела. Для этой конфигурации DSW может распространяться вдоль границы раздела в определенных угловых интервалах относительно оси C при условии, что выполняется условие εe > ε > ε0 . Таким образом, DSW поддерживаются интерфейсами только с кристаллами с положительным двойным лучепреломлением ( εe > ε0 ). Угловой интервал определяется параметром

.

Угловые интервалы для фазы DSW и групповой скорости ( Δθph и Δθgr ) различны. Интервал фазовых скоростей пропорционален η2 и даже для наиболее сильно двулучепреломляющих природных кристаллов очень узкий Δθph ≈ 1° (рутил) и Δθph ≈ 4° (каломель)[17]..Однако физически более важный интервал групповой скорости существенно больше (пропорционален η ). Расчеты дают Δθgr ≈ 7° для рутила и Δθgr ≈ 20° для каломели.

Перспективы

Широко распространенное экспериментальное исследование материальных систем DSW и развитие связанных с ними практических устройств в значительной степени ограничено строгими условиями анизотропии, необходимыми для успешного распространения DSW, особенно высокой степенью двойного лучепреломления по крайней мере одного из составляющих материалов и ограниченным количеством естественно доступных материалы, соответствующие этому требованию. Однако это скоро изменится в свете новых искусственно созданных метаматериалов[18] и революционных методов синтеза материалов.

Чрезвычайная чувствительность DSW к анизотропии и, следовательно, к стрессу, наряду с их характеристиками с малыми потерями (дальность действия), делают их особенно привлекательными для обеспечения высокой чувствительности тактильного и ультразвукового зондирования для технологий высокоскоростного преобразования и считывания следующего поколения. . Более того, уникальная направленность DSW может использоваться для управления оптическими сигналами[19].

См. также

Примечания
  1. Dyakonov, M. I. (April 1988). “New type of electromagnetic wave propagating at an interface” (Free PDF download). Soviet Physics JETP. 67 (4): 714.
  2. Averkiev, N. S. and Dyakonov, M. I. (1990). “Electromagnetic waves localized at the interface of transparent anisotropic media”. Optics and Spectroscopy (USSR). 68 (5): 653. Bibcode:1990OptSp..68..653A.
  3. Torner, L., Artigas, D., and Takayama, O. (2009). “Dyakonov Surface Waves”. Optics and Photonics News. 20 (12). Bibcode:2009OptPN..20...25T. DOI:10.1364/OPN.20.12.000025.
  4. Takayama, O., Crassovan, L., Artigas D., and Torner, L. (2009). “Observation of Dyakonov Surface Waves” (Free PDF download). Phys. Rev. Lett. 102 (4). Bibcode:2009PhRvL.102d3903T. DOI:10.1103/PhysRevLett.102.043903. PMID 19257419.
  5. Takayama, O., Crassovan, L. C., Mihalache, D., and Torner, L. (2008). “Dyakonov Surface Waves: A Review”. Electromagnetics. 28 (3): 126—145. DOI:10.1080/02726340801921403.
  6. Crassovan, L. C., Artigas, D., Mihalache, D., and Torner, L. (2005). “Optical Dyakonov surface waves at magnetic interfaces”. Opt. Lett. 30 (22): 3075—7. Bibcode:2005OptL...30.3075C. DOI:10.1364/OL.30.003075. PMID 16315726.
  7. Crassovan, L. C., Takayama, D., Artigas, D., Johansen, S. K., Mihalache, D., and Torner, L. (2006). “Enhanced localization of Dyakonov-like surface waves in left-handed materials”. Phys. Rev. B. 74 (15): 155120. arXiv:physics/0603181. Bibcode:2006PhRvB..74o5120C. DOI:10.1103/PhysRevB.74.155120.
  8. Nelatury, S. R., Polo jr., J. A., and Lakhtakia, A. (2008). “Electrical Control of Surface-Wave Propagation at the Planar Interface of a Linear Electro-Optic Material and an Isotropic Dielectric Material”. Electromagnetics. 28 (3): 162—174. arXiv:0711.1663. DOI:10.1080/02726340801921486.
  9. Nelatury, S. R., Polo jr., J. A., and Lakhtakia, A. (2008). “On widening the angular existence domain for Dyakonov surface waves using the Pockels effect”. Microwave and Optical Technology Letters. 50 (9): 2360—2362. arXiv:0804.4879. Bibcode:2008arXiv0804.4879N. DOI:10.1002/mop.23698.
  10. Gao, Jun (2009). “On Dyakonov-Tamm waves localized to a central twist defect in a structurally chiral material”. Journal of the Optical Society of America B. 26 (12): B74—B82. Bibcode:2009JOSAB..26B..74G. DOI:10.1364/JOSAB.26.000B74.
  11. Takayama, O., Nikitin, A. Yu., Martin-Moreno, L., Mihalache, D., Torner, L., and Artigas, A. (2011). “Dyakonov surface wave resonant transmission” (PDF). Optics Express. 19 (7): 6339—47. Bibcode:2011OExpr..19.6339T. DOI:10.1364/OE.19.006339. PMID 21451661.
  12. Guo, Yu.. Newman, W., Cortes, C. L. and Jacob, Z. (2012). “Review Article: Applications of Hyperbolic Metamaterial Substrates”. Advances in OptoElectronics. 2012: 1—9. arXiv:1211.0980. DOI:10.1155/2012/452502.
  13. Jacob, Z. and Narimanov, E. E. (2008). “Optical hyperspace for plasmons: Dyakonov states in metamaterials”. Appl. Phys. Lett. 93 (22): 221109. Bibcode:2008ApPhL..93v1109J. DOI:10.1063/1.3037208.
  14. Takayama, O., Artigas, D., and Torner, L. (2012). “Coupling plasmons and dyakonons”. Optics Letters. 37 (11): 1983—5. Bibcode:2012OptL...37.1983T. DOI:10.1364/OL.37.001983. PMID 22660095.
  15. Takayama, O., Shkondin, E., Bogdanov A., Panah, M. E., Golenitskii, K., Dmitriev, P., Repän, T., Malureanu, R., Belov, P., Jensen, F., and Lavrinenko, A. (2017). “Midinfrared surface waves on a high aspect ratio nanotrench platform” (PDF). ACS Photonics. 4 (11): 2899—2907. DOI:10.1021/acsphotonics.7b00924.
  16. Takayama, O., Dmitriev, P., Shkondin, E., Yermakov, O., Panah, M., Golenitskii, K., Jensen, F., Bogdanov A., and Lavrinenko, A. (2018). “Experimental observation of Dyakonov plasmons in the mid-infrared”. Semiconductors. 52 (4): 442—6. Bibcode:2018Semic..52..442T. DOI:10.1134/S1063782618040279.
  17. Takayama, O. (2008). “Dyakonov Surface Waves: A Review”. Electromagnetics. 28 (3): 126—145. DOI:10.1080/02726340801921403.
  18. Takayama, O. (2017). “Photonic surface waves on metamaterial interfaces”. Journal of Physics: Condensed Matter. 29 (46): 463001. Bibcode:2017JPCM...29T3001T. DOI:10.1088/1361-648X/aa8bdd. PMID 29053474.
  19. Takayama, O. (2014). “Lossless directional guiding of light in dielectric nanosheets using Dyakonov surface waves”. Nature Nanotechnology. 9 (6): 419—424. Bibcode:2014NatNa...9..419T. DOI:10.1038/nnano.2014.90. PMID 24859812.
  20. Liu, Hsuan-Hao (2013). “Leaky Surface Plasmon Polariton Modes at an Interface Between Metal and Uniaxially Anisotropic Materials”. IEEE Photonics Journal. 5 (6): 4800806. Bibcode:2013IPhoJ...500806L. DOI:10.1109/JPHOT.2013.2288298.

 

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.