Undele de suprafață Dyakonov

Undele de suprafață Dyakonov ( DSW - Dyakonov surface wave) sunt unde electromagnetice de suprafață care se propagă de-a lungul interfeței dintre un mediu birefringent izotrop și uniaxial . Teoretic, acestea au fost prezise în 1988 de către fizicianul rus Mihail Dyakonov [1] . Spre deosebire de alte tipuri de unde acustice și electromagnetice de suprafață, existența DSW este asociată cu o diferență de simetrie a materialelor care formează interfața. El a luat în considerare interfața dintre un mediu de transmisie izotrop și un cristal uniaxial anizotrop și a arătat că, în anumite condiții, trebuie să existe unde localizate la interfață. Mai târziu s-a prezis că există unde similare la limita a două cristale uniaxiale identice cu orientări diferite. [2] Undele de suprafață electromagnetice cunoscute anterior, plasmonii de suprafață și polaritonii de plasmoni de suprafață există cu condiția ca permisivitatea unuia dintre materialele care formează interfața să fie negativă, iar celălalt să fie pozitivă (de exemplu, acesta este cazul unui aer/metal). interfață sub frecvențele plasmei ). În schimb, DSW se poate propaga atunci când ambele materiale sunt transparente; prin urmare, sunt practic fără pierderi, ceea ce este proprietatea lor cea mai remarcabilă.

În ultimii ani, semnificația și potențialul DSW a atras atenția multor cercetători: o modificare a proprietăților de bază ale unuia sau ambelor materiale partenere - de exemplu, datorită infiltrării unui agent chimic sau biologic - poate fi palpabilă. . modifica caracteristicile valului. Prin urmare, sunt avute în vedere numeroase aplicații potențiale, inclusiv dispozitive pentru optică integrată, detecție chimică și biologică a suprafețelor etc. [3] . Cu toate acestea, nu este ușor de îndeplinit condițiile necesare pentru DSW și, din această cauză, prima dovadă experimentală a principiului observațional al DSW [4] nu a fost raportată decât la 20 de ani de la predicția inițială.

Un număr mare de lucrări teoretice au apărut pe diverse aspecte ale acestui fenomen, vezi recenzia detaliată [5] . În special, a fost studiată propagarea DSW la interfețele magnetice [6] în materiale stângaci [7] în materiale electro-optice [8] [9] și chirale [10] . Transmiterea rezonantă datorată DSW în structurile care utilizează prisme a fost prezisă [11] , iar combinația și interacțiunea dintre DSW și plasmonii de suprafață (plasmonii Dyakonov) au fost studiate și observate [12] [13] [14] [15] [16] .

Proprietăți fizice

Cea mai simplă configurație considerată în [5]. 1 constă dintr-o interfață între un material izotrop cu permitivitate ε și un cristal uniaxial cu permitivitate ε 0 și ε e pentru unde obișnuite și , respectiv , extraordinare . Axa cristalului C este paralelă cu interfața. Pentru această configurație, DSW se poate propaga de-a lungul interfeței în anumite intervale unghiulare în raport cu axa C , cu condiția ca condiția ε e > ε > ε 0 să fie îndeplinită . Astfel, DSW-urile sunt suportate doar de interfețe cu cristale cu birefringență pozitivă ( ε e > ε 0 ). Distanța unghiulară este definită de parametru

.

Intervalele unghiulare pentru faza DSW și viteza grupului ( Δθ ph și Δθ gr ) sunt diferite. Intervalul vitezelor de fază este proporțional cu η 2 și chiar și pentru cele mai puternice cristale naturale birefringente este foarte îngust Δθ ph ≈ 1° ( rutil ) și Δθ ph ≈ 4° ( calomel ) [17] ..Totuși, cel mai important din punct de vedere fizic intervalul de viteză a grupului este mult mai mare (proporțional cu η ). Calculele dau Δθ gr ≈ 7° pentru rutil și Δθ gr ≈ 20° pentru calomel.

Perspective

Studiul experimental pe scară largă a sistemelor de materiale DSW și dezvoltarea dispozitivelor practice aferente este în mare măsură limitată de condițiile stricte de anizotropie necesare pentru propagarea cu succes a DSW, în special birefringența ridicată a cel puțin unuia dintre materialele constitutive și numărul limitat de materiale disponibile în mod natural. materiale care îndeplinesc această cerință... Cu toate acestea, acest lucru se va schimba în curând în lumina noilor metamateriale create artificial [18] și a metodelor revoluționare de sintetizare a materialelor.

Sensibilitatea extremă a DSW-urilor la anizotropie și, prin urmare, la stres, împreună cu caracteristicile lor de pierdere redusă (gamă), le fac deosebit de atractive pentru furnizarea de sensibilitate ridicată a sensibilității tactile și de detectare cu ultrasunete pentru tehnologiile de conversie și citire de mare viteză de generație următoare. . Mai mult, directivitatea unică a DSW poate fi utilizată pentru a conduce semnale optice [19] .

Vezi și

Note

  1. ↑ Dyakonov, MI (aprilie 1988). „Nou tip de undă electromagnetică care se propagă la o interfață” (descărcare PDF gratuită) . Fizica sovietică JETP . 67 (4): 714. Arhivat (PDF) din original pe 2018-07-13 . Preluat 2021-10-04 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  2. ↑ Averkiev, NS și Dyakonov, MI (1990). „Unde electromagnetice localizate la interfața mediilor anizotrope transparente”. Optică și spectroscopie (URSS) . 68 (5): 653. Bibcode : 1990OptSp..68..653A .
  3. ↑ Torner, L., Artigas, D. și Takayama, O. (2009). Unde de suprafață Dyakonov. Știri despre optică și fotonică . 20 (12). Bibcode : 2009OptPN..20...25T . DOI : 10.1364/OPN.20.12.000025 .
  4. ↑ Takayama, O., Crassovan, L., Artigas D. și Torner, L. (2009). „Observarea undelor de suprafață Dyakonov” (descărcare PDF gratuită) . Fiz. Rev. Lett . 102 (4). Cod biblic : 2009PhRvL.102d3903T . DOI : 10.1103/PhysRevLett.102.043903 . PMID 19257419 . Arhivat din original pe 04.10.2021 . Preluat 2021-10-04 .  Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  5. ↑ Takayama, O., Crassovan, LC, Mihalache, D. și Torner, L. (2008). „Undele de suprafață Dyakonov: o revizuire” . Electromagnetică . 28 (3): 126-145. DOI : 10.1080/02726340801921403 .
  6. ↑ Crassovan, LC, Artigas, D., Mihalache, D. și Torner, L. (2005). „Unde de suprafață optice Dyakonov la interfețele magnetice”. Opta. Lett . 30 (22): 3075-7. Bibcode : 2005OptL...30.3075C . DOI : 10.1364/OL.30.003075 . PMID  16315726 .
  7. ↑ Crassovan, LC, Takayama, D., Artigas, D., Johansen, SK, Mihalache, D. și Torner, L. (2006). „Localizarea îmbunătățită a undelor de suprafață asemănătoare lui Dyakonov în materiale stângaci”. Fiz. Rev. b . 74 (15): 155120. arXiv : physics/0603181 . Bibcode : 2006PhRvB..74o5120C . DOI : 10.1103/PhysRevB.74.155120 .
  8. ↑ Nelatury, S.R., Polo jr., JA și Lakhtakia, A. (2008). „Controlul electric al propagării undelor de suprafață la interfața plană a unui material electro-optic liniar și a unui material dielectric izotrop” . Electromagnetică . 28 (3): 162-174. arXiv : 0711.1663 . DOI : 10.1080/02726340801921486 .
  9. ↑ Nelatury, S.R., Polo jr., JA și Lakhtakia, A. (2008). „Despre lărgirea domeniului existenței unghiulare pentru undele de suprafață Dyakonov folosind efectul Pockels”. Scrisori cu microunde și tehnologie optică . 50 (9): 2360-2362. arXiv : 0804.4879 . Cod biblic : 2008arXiv0804.4879N . DOI : 10.1002/mop.23698 .
  10. ↑ Gao, iunie (2009). „Pe undele Dyakonov-Tamm localizate la un defect central de răsucire într-un material structural chiral”. Journal of the Optical Society of America B . 26 (12): B74-B82. Cod biblic : 2009JOSAB..26B..74G . DOI : 10.1364/JOSAB.26.000B74 .
  11. ↑ Takayama, O., Nikitin, A. Yu., Martin-Moreno, L., Mihalache, D., Torner, L. și Artigas, A. (2011). „Transmisia rezonantă a undelor de suprafață Dyakonov” (PDF) . Optica Express . 19 (7): 6339-47. Cod biblic : 2011OExpr..19.6339T . DOI : 10.1364/OE.19.006339 . PMID21451661 . _ Arhivat (PDF) din original pe 2021-10-04 . Preluat 2021-10-04 .  Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  12. ↑ Guo, Yu.. Newman, W., Cortes, C.L. și Jacob, Z. (2012). „ Articol de revizuire: Aplicații ale substraturilor metamateriale hiperbolice.” Progrese în optoelectronică . 2012 : 1-9. arXiv : 1211.0980 . DOI : 10.1155/2012/452502 .
  13. ↑ Jacob, Z. și Narimanov, EE (2008). „Hiperspațiu optic pentru plasmoni: stări Dyakonov în metamateriale”. Appl. Fiz. Lett . 93 (22): 221109. Bibcode : 2008ApPhL..93v1109J . DOI : 10.1063/1.3037208 .
  14. ↑ Takayama, O., Artigas, D. și Torner, L. (2012). „Cuplarea plasmoniilor și diakonoanelor”. Scrisori de optică . 37 (11): 1983-5. Bibcode : 2012OptL...37.1983T . DOI : 10.1364/OL.37.001983 . PMID  22660095 .
  15. ↑ Takayama, O., Shkondin, E., Bogdanov A., Panah, ME, Golenitskii, K., Dmitriev, P., Repän, ​​​​T., Malureanu, R., Belov, P., Jensen, F. și Lavrinenko, A. (2017). „Unde de suprafață în infraroșu midi pe o platformă nanotrench cu raport de aspect ridicat” (PDF) . Fotonica ACS . 4 (11): 2899-2907. DOI : 10.1021/acsphotonics.7b00924 . Arhivat (PDF) din original pe 2021-10-04 . Preluat 2021-10-04 . Parametrul depreciat folosit |deadlink=( ajutor )
  16. ↑ Takayama, O., Dmitriev, P., Shkondin, E., Yermakov, O., Panah, M., Golenitskii, K., Jensen, F., Bogdanov A. și Lavrinenko, A. (2018). „Observarea experimentală a plasmonilor Dyakonov în infraroșu mijlociu”. Semiconductori . 52 (4): 442-6. Bibcode : 2018Semic..52..442T . DOI : 10.1134/S1063782618040279 .
  17. ↑ Takayama, O. (2008). „Undele de suprafață Dyakonov: o revizuire” . Electromagnetică . 28 (3): 126-145. DOI : 10.1080/02726340801921403 .
  18. ↑ Takayama, O. (2017). „Unde de suprafață fotonice pe interfețele metamaterialelor”. Jurnal de fizică: materie condensată . 29 (46): 463001. Bibcode : 2017JPCM...29T3001T . DOI : 10.1088/1361-648X/aa8bdd . PMID  29053474 .
  19. ↑ Takayama, O. (2014). „Dirijarea direcțională fără pierderi a luminii în nanofile dielectrice folosind undele de suprafață Dyakonov”. Nanotehnologia naturii . 9 (6): 419-424. Bibcode : 2014NatNa...9..419T . DOI : 10.1038/nnano.2014.90 . PMID24859812  . _
  20. ↑ Liu, Hsuan-Hao (2013). „Moduri de polariton plasmon de suprafață cu scurgeri la o interfață între metal și materiale uniaxial anizotrope.” IEEE Photonics Journal . 5 (6): 4800806. Bibcode : 2013IPhoJ...500806L . DOI : 10.1109/JPHOT.2013.2288298 .