Plasmón superficial falso

Los plasmones superficiales falsos , también conocidos como polaritones plasmónicos superficiales falsos y plasmones superficiales de diseño , ^[1] son ondas electromagnéticas superficiales en regímenes de microondas y terahercios que se propagan a lo largo de interfaces planares con permitividades de cambio de signo . Los plasmones superficiales falsos son un tipo de polaritón plasmónico superficial , que normalmente se propaga a lo largo de interfaces metálicas y dieléctricas en frecuencias infrarrojas y visibles . Dado que los polaritones plasmónicos superficiales no pueden existir de forma natural en frecuencias de microondas y terahercios debido a las propiedades de dispersión de los metales, los plasmones superficiales falsos requieren el uso de metamateriales diseñados artificialmente .

Los plasmones superficiales falsos comparten las propiedades naturales de los polaritones plasmónicos superficiales, como las características de dispersión y el confinamiento del campo por debajo de la longitud de onda. Fueron teorizados por primera vez por John Pendry et al. ^[2]

Teoría

Los polaritones plasmónicos de superficie (SPP) resultan del acoplamiento de oscilaciones electrónicas deslocalizadas (" plasmón de superficie ") a ondas electromagnéticas (" polaritón "). Los SPP se propagan a lo largo de la interfaz entre un material de permitividad positiva y uno de permitividad negativa. Estas ondas se desintegran perpendicularmente a la interfaz (" campo evanescente "). Para un medio plasmónico estratificado a lo largo de la dirección z en coordenadas cartesianas , la relación de dispersión para los SPP se puede obtener resolviendo las ecuaciones de Maxwell : ^[3]

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

dónde

$estilo de visualización k_{x}}$ es el vector de onda que es paralelo a la interfaz. Está en la dirección de propagación .
${\estilo de visualización \omega}$ es la frecuencia angular .
${\estilo de visualización c}$ es la velocidad de la luz .
$\varepsilon _{1}$ y son las permitividades relativas para el metal y el dieléctrico. $\varepsilon _{2}$

Según esta relación, los SPP tienen longitudes de onda más cortas que la luz en el espacio libre para una banda de frecuencia por debajo de la frecuencia del plasmón superficial; esta propiedad, así como el confinamiento por debajo de la longitud de onda, permite nuevas aplicaciones en ópticas y sistemas por debajo de la longitud de onda más allá del límite de difracción . ^[3] Sin embargo, para bandas de frecuencia más bajas, como microondas y terahercios, los modos de polaritón de plasmón superficial no son compatibles; los metales funcionan aproximadamente como conductores eléctricos perfectos con funciones dieléctricas imaginarias en este régimen. ^[4] Según el enfoque del medio efectivo , las superficies metálicas con elementos estructurales por debajo de la longitud de onda pueden imitar el comportamiento del plasma , lo que resulta en excitaciones artificiales de polaritón de plasmón superficial con un comportamiento de dispersión similar. ^[4]^[5]^[6]

Para el caso canónico de un medio metamaterial formado por alambres metálicos delgados sobre una red cuadrada periódica , la permitividad relativa efectiva se puede representar mediante la fórmula del modelo de Drude : ^[4]

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

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

dónde

$\omega _{p}$ es la frecuencia plasmática efectiva del medio.
$\varepsilon _{0}$ es la permitividad del vacío .
${\estilo de visualización a}$ es el período reticular.
${\estilo de visualización r}$ es el radio de los cables constitutivos.
${\estilo de visualización \sigma}$ es la conductividad eléctrica del metal.

Métodos y aplicaciones

Simulación de la propagación de plasmones superficiales falsos a través de un metamaterial de onda inversa en el régimen de microondas ^[7]

El uso de estructuras de sublongitud de onda para inducir excitaciones plasmónicas de baja frecuencia fue teorizado por primera vez por John Pendry et al. en 1996; Pendry propuso que una red periódica de cables metálicos delgados con un radio de 1 μm podría usarse para soportar modos ligados a la superficie, con una frecuencia de corte de plasma de 8,2 GHz. ^[4] En 2004, Pendry et al. extendieron el enfoque a superficies metálicas que están perforadas por agujeros, denominando a las excitaciones SPP artificiales como "plasmones de superficie falsos". ^[5]^[6]

En 2006, se demostró la propagación de pulsos de terahercios en estructuras metálicas planas con agujeros mediante simulaciones FDTD . ^[8] Martin-Cano et al. han logrado la modulación espacial y temporal de modos guiados de terahercios mediante estructuras metálicas paralelepípedas , que denominaron " plasmones dominó ". ^[9] En 2010, también se diseñaron estructuras plasmónicas simuladas para mejorar el rendimiento de los láseres de cascada cuántica de terahercios. ^[10]

Los plasmones superficiales falsos se propusieron como una posible solución para disminuir la diafonía en circuitos integrados de microondas , líneas de transmisión y guías de ondas . ^[2] En 2013, Ma et al. demostraron una conversión adaptada de una guía de ondas coplanar con una impedancia característica de 50 Ω a una estructura plasmónica falsa. ^[11] En 2014, se realizó la integración de un amplificador comercial de bajo ruido con estructuras plasmónicas falsas; se informó que el sistema funcionaba de 6 a 20 GHz con una ganancia de alrededor de 20 dB . ^[12] Kianinejad et al. también informaron el diseño de una línea de transmisión plasmónica falsa de onda lenta ; también se demostró la conversión de modos de microbanda cuasi- TEM a modos de plasmón falso TM . ^[13]

Khanikaev et al. informaron sobre modos de plasmón superficial falso no recíprocos en un conductor estructurado embebido en un medio magnetoóptico asimétrico , lo que da como resultado una transmisión unidireccional. ^[14] Pan et al. observaron el rechazo de ciertos modos de plasmón falso con una introducción de partículas metamateriales eléctricamente resonantes en la tira plasmónica falsa. ^{[15] También se demostraron}plasmones superficiales falsos localizados para discos metálicos en frecuencias de microondas. ^[16]^[17]

Véase también

Referencias

^ Garcia-Vidal, Francisco J.; Fernández-Domínguez, Antonio I.; Martin-Moreno, Luis; Zhang, Hao Chi; Tang, Wenxuan; Peng, Ruwen; Cui, Tie Jun (2022). "Fotónica de plasmones superficiales falsos". Reseñas de Física Moderna . 04 (2): 025004. Bibcode :2022RvMP...94b5004G. doi :10.1103/RevModPhys.94.025004. hdl : 10261/280707 . S2CID 248954068.
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Lectura adicional

Huidobro, Paloma Arroyo; Fernández-Domínguez, Antonio I.; Pendry, John B .; Martín-Moreno, Luis; García-Vidal, Francisco J. (enero 2018). "Metamateriales de plasmón de superficie falsos" . Prensa de la Universidad de Cambridge . doi :10.1017/9781108553445. ISBN 9781108553445.S2CID139524223 .