電磁メタサーフェス

電磁メタサーフェスとは、波長以下の特徴を持つ人工シート材料の一種を指します。メタサーフェスは、波長以下のパターンを持つ構造化または非構造化のいずれかになります。^{[1] [2] [3]}

電磁気学理論では、メタサーフェスは、三次元（3D）空間における構成パラメータ（屈折率など）ではなく、特定の境界条件を通じて電磁波の挙動を変調します。これは、天然材料やメタマテリアルで一般的に利用されています。メタサーフェスは、メタマテリアルの2次元版を指す場合もあります。^{[4] [5]}また、機能性を調整するための追加の自由度として3次元を含む2.5Dメタサーフェスもあります。^[6]

メタサーフェスは研究者によってさまざまな方法で定義されてきました。

1、「近年ますます注目を集めている代替アプローチは、波長以下の周期性を持つ1次元および2次元（1Dおよび2D）プラズモニックアレイ（メタサーフェスとも呼ばれる）を扱うものである。動作波長に比べて厚さが無視できるため、メタサーフェスは（ユニットセル構成要素の共鳴の近くで）入射光の振幅と位相の両方に急激な変化を強制する不連続界面と見なすことができる」^[7]

2、「我々の結果は、動作波長に比べて寸法と周期が小さい散乱要素の周期的配列であるメタサーフェスの概念を用いて理解することができる。」^[8]

3、「薄膜に基づくメタサーフェス」。基板上の高吸収超薄膜もメタサーフェスとみなされ、天然材料には見られない特性を持つ。^{[3]この定義に従うと、}スーパーレンズのような金属薄膜も初期のタイプのメタサーフェスである。^[9]

電磁メタサーフェスの研究には長い歴史があります。1902 年初頭、ロバート W. ウッドは、波長以下の金属格子の反射スペクトルに暗い領域があることを発見しました。この異常な現象はウッドの異常と名付けられ、金属表面で励起される特定の電磁波である表面プラズモンポラリトン (SPP) ^[10]の発見につながりました。その後、別の重要な現象であるレヴィ-チヴィタ関係^[11]が導入され、波長以下の厚さのフィルムによって電磁境界条件が劇的に変化する可能性があるとされています。

一般的に、メタサーフェスには、周波数選択表面（FSS）、インピーダンスシート、さらにはオーミックシートなど、マイクロ波スペクトルの従来の概念が含まれます。マイクロ波領域では、高導電性金属の表皮深さは最小限になる可能性があるため、これらのメタサーフェスの厚さは動作波長よりもはるかに小さくなります（たとえば、波長の1/1000）。最近、超広帯域コヒーレント完全吸収などの新しい現象が実証されました。結果は、0.3 nmの厚さのフィルムがRF、マイクロ波、テラヘルツ周波数のすべての電磁波を吸収できることを示しました。^{[12] [13] [14]}

光学用途では、反射防止コーティングも、レイリー卿によって最初に観察されたように、単純なメタ表面と見なすことができます。

近年、プラズモニックメタサーフェス^{[15] [4] [7] [16] [17]} 、幾何学的位相に基づくメタサーフェス^{[18] [19]} 、 インピーダンスシートに基づくメタサーフェス^{[20] [21]} 、および滑り対称メタサーフェス^{[22]など、いくつかの新しいメタサーフェスが開発されています。}

メタサーフェスの最も重要な用途の1つは、入射波に局所的な勾配位相シフトを与えることで電磁波の波面を制御することであり、これは反射と屈折の古代の法則の一般化につながります。^{[18 ]このように、メタサーフェスは平面レンズ、 [23] [24]}照明レンズ、^[25]平面ホログラム、^[26]渦発生器、^[27]ビーム偏向器、アキシコンなどとして使用できます。 ^{[19] [28]}

勾配メタサーフェスレンズの他に、メタサーフェスベースのスーパーレンズは、エバネッセント波を使用することで波面をさらに細かく制御できます。極薄金属層の表面プラズモンにより、完全なイメージングと超解像リソグラフィーが可能になり、すべての光学レンズシステムは回折によって制限されるという一般的な仮定を打ち破ります。この現象は回折限界と呼ばれます。^{[29] [30]}

もう一つの有望な応用分野はステルス技術である。標的のレーダー断面積（RCS）は従来、放射線吸収材（RAM）を使用するか、標的を意図的に成形して散乱エネルギーを発生源から遠ざけることで低減されてきた。しかし残念ながら、RAMは周波数帯域が狭く、意図的に成形すると標的の空力性能が制限される。そこで、アレイ理論[ ^{31] [32] [33]}または一般化スネルの法則^{[34] [35]}を用いて散乱エネルギーを発生源から遠ざけるメタサーフェスが合成された。これにより、RCSが低減した標的の空力的に好ましい形状が実現した。

メタサーフェスは、誘導電磁波を制御するための光導波路と統合することもできる。^{[36] [37]}統合導波モード変換器、 ^[37]構造化光生成、^{[38] [39]}多目的マルチプレクサ、^{[40] [41]}フォトニックニューラルネットワーク^[42]などのメタ導波路のアプリケーションが可能になる。

さらに、メタサーフェスは、電磁波吸収体、偏光変換器、偏光計、スペクトルフィルタにも応用されています。^[43]メタサーフェスを活用した新しいバイオイメージングおよびバイオセンシングデバイスも最近登場し、報告されています。^{[44] [45] [46] [47]}多くの光学ベースのバイオイメージングデバイスは、その大きな設置面積と重い物理的重量のために、臨床現場での使用が制限されています。^{[48] [49]}

メタサーフェス上の電磁波の相互作用をシミュレートし、その設計を可能にするために、有限差分時間領域法(FDTD)、有限要素法(FEM)、厳密な結合波解析(RCWA) など、さまざまな方法が利用可能です。

平面光学メタサーフェスの場合、プリズムベースのアルゴリズムは、平面形状に最適な三角柱空間の離散化を可能にします。プリズムベースのアルゴリズムは、従来の四面体法よりも要素が少ないため、計算効率が向上します。^[50]シミュレーションツールキットがオンラインでリリースされており、ユーザーはカスタマイズされたピクセルパターンを使用してメタサーフェスを効率的に分析できます。^[51]

光学領域におけるメタサーフェスの特性評価には、関連する光学特性に位相特性と偏光特性の両方が含まれることが多いため、高度な画像化手法が必要となる。最近の研究では、最近開発された計算画像化手法であるベクトル・タイコグラフィーが有用であることが示唆されている。この手法は、ジョーンズ行列マッピングと、大きな標本でも顕微鏡レベルの横方向分解能を組み合わせたものである。 ^[52]

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