偽の表面プラズモン

スプーフィング表面プラズモンは、スプーフィング表面プラズモンポラリトンやデザイナー表面プラズモンとも呼ばれ、^{[1] 、}符号が変化する誘電率を持つ平面界面に沿って伝播するマイクロ波およびテラヘルツ領域の表面 電磁波です。スプーフィング表面プラズモンは表面プラズモンポラリトンの一種で、通常は赤外線および可視周波数で金属と誘電体の界面に沿って伝播します。表面プラズモンポラリトンは金属の分散特性によりマイクロ波およびテラヘルツ周波数では自然に存在できないため、スプーフィング表面プラズモンには人工的に設計されたメタマテリアルの使用が必要です。

偽表面プラズモンは、分散特性や波長以下の場の閉じ込めなど、表面プラズモンポラリトンの自然な特性を共有しています。これらは、ジョン・ペンドリーらによって初めて理論化されました。^[2]

表面プラズモンポラリトン (SPP) は、非局在化した電子振動 (「表面プラズモン」) と電磁波 (「ポラリトン」) の結合によって生じます。SPP は、正誘電率と負誘電率の材料間の界面に沿って伝播します。これらの波は、界面から垂直に減衰します (「エバネッセント場」)。直交座標で z 方向に沿って層状に分布するプラズモン媒体の場合、SPP の分散関係は、マクスウェル方程式を解くことで得られます。^[3]

${\displaystyle k_{x}={\frac {\omega }{c}}\left({\frac {\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}}{\varepsilon _{1}+\varepsilon _{2}}}\right)^{\frac {1}{2}}}$

どこ

• ${\displaystyle k_{x}}$は界面に平行な波動ベクトルです。伝播方向にあります。
• ${\displaystyle \omega}$は角周波数です。
• ${\displaystyle c}$光の速度です。
• ${\displaystyle \varepsilon_{1}}$およびは金属と誘電体の比誘電率です。${\displaystyle \varepsilon_{2}}$

この関係によれば、表面プラズモン周波数以下の周波数帯域では、SPP は自由空間の光よりも波長が短くなります。この特性とサブ波長閉じ込めにより、回折限界を超えたサブ波長光学およびシステムへの新しい応用が可能になります。^[3]ただし、マイクロ波やテラヘルツなどの低周波数帯域では、表面プラズモンポラリトンモードはサポートされていません。金属は、この領域では虚数誘電関数を持つ完全な電気導体としてほぼ機能します。 ^[4]有効媒体アプローチによれば、サブ波長構造要素を持つ金属表面はプラズマの挙動を模倣することができ、同様の分散挙動を持つ人工的な表面プラズモンポラリトン励起をもたらします。^{[4] [5] [6]}

周期的な正方格子上に細い金属線で形成されたメタマテリアル媒体の標準的なケースでは、有効比誘電率はドルーデモデル式で表される。^[4]

${\displaystyle \varepsilon _{eff}=1-{\frac {\omega _{p}^{2}}{\omega \left(\omega +i{\frac {\varepsilon _{0}a^{2}\omega _{p}^{2}}{\pi r^{2}\sigma }}\right)}}}$

${\displaystyle \omega _{p}^{2}={\frac {2\pi c^{2}}{a^{2}ln(a/r)}}}$

どこ

• ${\displaystyle \omega_{p}}$媒体の有効プラズマ周波数​​です。
• ${\displaystyle \varepsilon_{0}}$真空の誘電率です。
• ${\displaystyle a}$格子周期です。
• ${\displaystyle r}$構成ワイヤの半径です。
• ${\displaystyle \sigma}$金属の電気伝導率です。

サブ波長構造を使用して低周波プラズモン励起を誘導するという理論は、1996 年にジョン ペンドリーらによって初めて提唱されました。ペンドリーは、半径 1 μm の細い金属ワイヤの周期格子を使用して、プラズマ カットオフ周波数が 8.2 GHz の表面結合モードをサポートできると提案しました。^[4] 2004 年に、ペンドリーらは、穴が開けられた金属表面にこのアプローチを拡張し、人工 SPP 励起を「偽装表面プラズモン」と名付けました。^{[5] [6]}

2006年には、穴のある平面金属構造におけるテラヘルツパルスの伝播がFDTDシミュレーションによって示されました。^[8] Martin-Canoらは、金属平行六面体構造を介して誘導テラヘルツモードの空間的および時間的変調を実現し、これを「ドミノプラズモン」と名付けました。^[ 9] 2010年には、テラヘルツ量子カスケードレーザーの性能を向上させるために、デザイナーによる偽のプラズモニック構造も調整されました。 ^[10]

スプーフィング表面プラズモンは、マイクロ波集積回路、伝送線路、導波管のクロストークを低減する可能性のある解決策として提案されました。^[2] 2013年に、Maらは、特性インピーダンスが50Ωの共平面導波管からスプーフィングプラズモン構造への整合変換を実証しました。 ^[11] 2014年には、市販の低雑音増幅器とスプーフィングプラズモン構造の統合が実現しました。報告によると、このシステムは6～20GHzで約20dBのゲインで動作しました。^{[12] Kianinejadらは、}低速波スプーフィングプラズモン伝送線路の設計も報告しました。準TEMマイクロストリップモードからTMスプーフィングプラズモンモードへの変換も実証されました。^[13]

Khanikaevらは、非対称 磁気光学媒体に埋め込まれた構造化導体における非相反偽装表面プラズモンモードを報告し、その結果、一方向の伝送が実現しました。^[14] Panらは、偽装プラズモンストリップに電気共鳴メタマテリアル粒子を導入することで、特定の偽装プラズモンモードが除去されることを観察しました。^[15] 局所的な偽装表面プラズモンは、マイクロ波周波数の金属ディスクでも実証されました。^{[16] [17]}

• フォトニック結晶
• プラズモニックメタマテリアル
• スプリットリング共振器
• スーパーレンズ
• テラヘルツメタマテリアル

• フイドブロ、パロマ・アロヨ。フェルナンデス＝ドミンゲス、アントニオ I.ジョン・B・ペンドリー;マルティン・モレノ、ルイス。ガルシア＝ビダル、フランシスコ J. (2018 年 1 月)表面プラズモン メタマテリアルのスプーフィング。ケンブリッジ大学出版局。土井：10.1017/9781108553445。ISBN 9781108553445. S2CID  139524223。