Onda de superfície de paródia reversa em metamaterial plasmônico de estrutura metálica ultrafina

Jun 22, 2024

Scientific Reports volume 6, Artigo número: 20448 (2016) Citar este artigo

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Onda inversa com fase antiparalela e velocidades de grupo é uma das propriedades básicas associadas à refração negativa e imagem de subdifração que têm atraído considerável interesse no contexto de metamateriais fotônicos. Foi previsto teoricamente que algumas estruturas plasmônicas também podem suportar a propagação de ondas retrógradas de polaritons plasmônicos de superfície (SPPs), porém a demonstração experimental direta não foi relatada, até onde sabemos. Neste artigo, foi proposto um metamaterial plasmônico especialmente projetado de tira metálica corrugada que pode suportar a propagação de ondas SPP de falsificação reversa. A análise de dispersão, a simulação completa do campo eletromagnético e a medição de transmissão do guia de ondas do metamaterial plasmônico validaram claramente a propagação da onda reversa com relação de dispersão possuindo inclinação negativa e direções opostas de velocidades de grupo e fase. Como verificação e aplicação adicional, é projetado e testado um acoplador contradirecional que pode rotear o sinal de micro-ondas para terminais opostos em diferentes frequências de operação, indicando novas oportunidades de aplicação de metamaterial plasmônico em dispositivos funcionais integrados e circuitos para radiação de micro-ondas e terahertz.

Onda eletromagnética reversa (EM) é geralmente definida como a onda que se propaga com direções opostas de sua fase e velocidades de grupo1. Tem atraído atenção considerável na última década no contexto dos metamateriais, especialmente os metamateriais canhotos ou duplo negativos com permissividade e permeabilidade simultaneamente negativas . A onda inversa é uma das importantes propriedades peculiares associadas aos metamateriais que forma a base da refração negativa3 e está subjacente a outros fenômenos interessantes, como as lentes perfeitas4,5, ou hiperlentes6,7 que visam alcançar resoluções ópticas superando o limite de difração com potencial óbvio para imagens ópticas e litografia. A onda inversa também foi bem demonstrada na analogia do circuito de metamateriais canhotos - as linhas de transmissão canhotas e tem sido utilizada em muitos novos componentes EM ou conceitos de antena .

Polaritons plasmônicos de superfície (SPPs) são ondas EM de superfície que se propagam ao longo da interface dielétrica-metal em frequências ópticas . Devido ao seu forte confinamento de campo à escala sub-comprimento de onda e consequente aumento de campo na interface dielétrico-metal, os SPPs poderiam levar à superação do limite de difração e circuitos integrados ópticos miniaturizados e dispositivos com escalas menores que o comprimento de onda da luz . . Para a onda SPP em uma interface dielétrico-metal, a onda EM é para frente dentro do dielétrico, mas para trás dentro do metal, tendo uma permissividade negativa . No entanto, uma grande fração da energia flui no dielétrico, tornando o comportamento líquido da onda SPP uma onda direta. Muitos estudos teóricos foram feitos para explorar a propagação de ondas reversas de SPPs, que revelam que um guia de ondas de três camadas adequadamente projetado, seja uma estrutura metal-isolante-metal (MIM) ou uma estrutura isolante-metal-isolante (IMI), pode suportar o propagação para trás ou modo de índice negativo18,22. Embora uma interessante refração negativa tenha sido ilustrada experimentalmente em tal guia de ondas MIM, ainda falta a demonstração direta da onda SPP inversa em um guia de ondas plasmônico com fases antiparalelas claras e velocidades de grupo. Isto pode ser atribuído à forte natureza de amortecimento dos SPPs, que leva a um comprimento de propagação de apenas alguns comprimentos de onda nesses guias de onda plasmônicos .

Os SPPs não podem ser escalados diretamente para frequências mais baixas porque o metal se comporta fundamentalmente como um condutor elétrico perfeito abaixo de sua frequência de plasma no infravermelho distante. A fim de fazer uso do alto confinamento de campo e aprimoramento na escala de subcomprimento de onda da onda SPP, foram propostos metamateriais plasmônicos que consistem em superfície metálica texturizada com ondulações ou covinhas em escala de subcomprimento de onda, cuja frequência plasmônica de superfície pode ser adaptada pelos parâmetros geométricos do estruturas24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Esses chamados SPPs de “falsificação” ou “designer” possuem relações de dispersão e propriedades de campo semelhantes aos SPPs ópticos, mas funcionam em frequências mais baixas até regimes de micro-ondas ou terahertz. Recentemente, uma estrutura mais prática - a tira metálica ondulada ultrafina, foi proposta para propagar plasmons de superfície conformados (CSPs) em superfícies curvas arbitrariamente , o que provou ser um candidato potencial para aplicações de dispositivos e circuitos SPP em frequências de microondas e terahertz . ,37,38.