Магнитооптические явления в метаматериалах и периодические плазмонные структуры

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТимени М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиИВАНОВ АНДРЕЙ ВАЛЕРИЕВИЧМАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В МЕТАМАТЕРИАЛАХИ ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ПЛАЗМОННЫЕ СТРУКТУРЫ.специальность 01.04.11 – физика магнитных явленийАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква2012Работа выполнена на кафедре магнетизма Физического факультетаМосковского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,профессорВедяев Анатолий ВладимировичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наук,в.н.с.Журавлев Михаил Евгеньевичдоктор физико-математический наук,профессорРудой Юрий ГригорьевичВедущая организация:Физико-технический институт УрОРАНЗащита состоится « »2012 г.

вч. на заседании диссертационногосовета Д 501.001.70 при Московском государственном университете имениМ.В. Ломоносова по адресу: 119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр.35,МГУ имени М.В. Ломоносова, ЦКП физического факультета, конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. А.М. ГорькогоМГУ им. М.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, д. 27, Фундаментальнаябиблиотека).Автореферат разослан «»2012 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.70доктор физико-математических наук, профессорПлотников Г.С.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыОдним из актуальных направлений современной физики является направление,связанное с исследованием метаматериалов. Метаматериал – это искусственносозданная система из микроструктурных элементов различной формы, подобранныхтак, чтобы материал проявлял заданные физические свойства. Направленное наметаматериалкоротковолновоеизлучениевызываетвторичнуюрезонанснуюэлектромагнитную волну, и в результате может возникнуть эффект, при которомэлектромагнитная волна распространяется в одну сторону, а индуцированное поле – вдругую.

Терминологически существует несколько вариантов названия такихметаматериалов: среды с отрицательной фазовой скоростью, среды с отрицательнымкоэффициентом преломления, обратные среды, дважды отрицательные среды (идиэлектрическая, и магнитнаяпроницаемости отрицательны), среды с обратнойволной. В средах с отрицательным показателем преломления некоторые эффекты,такие, как преломление света, эффект Доплера, Черенкова-Вавилова, эффект ГусаХанкена, меняются на обратные, по отношению к средам с положительнымпоказателем преломления.

Благодаря этому, среды с отрицательным показателемпреломления имеют большие перспективы с точки зрения практических применений,но остаётся очень много невыясненных вопросов, связанных с проблемойизготовления подобных сред.преломления,вкоторыхПомимо сред с отрицательным показателемотрицательныидиэлектрическаяимагнитнаяпроницаемости, в настоящее время представляют интерес и наноструктурныекомпозиты, состоящие из металлических элементов в диэлектрической матрице.Такие структуры имеют отрицательную диэлектрическую проницаемость в силуоптических свойств металла, в то время как магнитная проницаемость можетоставаться положительной.

Они проявляют интересные оптические свойства ввидимой и ближней инфракрасной (ИК) области электромагнитного спектраблагодаря возбуждению поверхностных плазмонных мод.Цели исследованияЦель диссертационной работы заключалась в теоретическом исследованииэффекта Фарадея, распространения энергии и построение теории оптическогоэффекта Магнуса в средах с отрицательным показателем преломления, построении1модели метаматериала из ферромагнитных микропроводов, а также в изучениипериодических плазмонных структур, в частности аномального прохожденияэлектромагнитной волны через цепочку металлических наноцилиндров, и усиления втаких структурах напряженности локального электрического поля.Задачи исследованияДля достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:1.

Разработка теоретической модели бигиротропной периодической среды сотрицательным показателем преломления из метаматериала с однооснойанизотропией. Аналитический расчёт эффекта Фарадея, и вектора УмоваПойнтинга в такой среде с отрицательным показателем преломления.2. РазработкатеоретическойпоказателемметаматериалаизферромагнитныхпреломленияАналитическийособенностеймоделирасчётоптическогооптическогоэффектаэффектаМагнусасотрицательныммикропроводов.Магнуса.вИсследованиеметаматериалахсотрицательным показателем преломления.3.

Построение численной модели взаимодействия электромагнитной волны ипериодическойплазмоннойструктуры(ввидецепочкиблизкорасположенных серебряных наноцилиндров) в оптической области спектра.4. Численный расчёт частотных зависимостей коэффициентов отражения,прохождения, и поглощения электромагнитной волны в цепочке серебряныхнаноцилиндров.5.Численный расчёт усиления напряженности электрического поля в зазоремеждунаноцилиндрами.Численныйрасчётусилениярамановскогоплоскостиполяризациирассеяния в цепочке серебряных наноцилиндров.Основные положения, выносимые на защиту:1.Выводуравненияэлектромагнитнойдляуглаволны вповоротабигиротропнойпериодическойсреде сотрицательным показателем преломления из метаматериала с однооснойанизотропией (эффект Фарадея).

Вывод уравнения для вектора УмоваПойнтинга в такой среде.2.Аналитическийрасчётпоказателяпреломленияметаматериалаизпараллельных микропроводов во внешнем магнитной поле. Оценка2показателя преломления для аморфного ферромагнетика типа Co-Fe-Cr-BSi в СВЧ диапазоне частот.3.Вывод уравнения траектории пучка лучей, описывающего в приближениигеометрической оптики оптический эффект Магнуса. Анализ оптическогоэффекта Магнуса применительно к средам с отрицательным показателемпреломления.4.Результатыисследованиячисленногомоделированияэффектоввзаимодействия электромагнитной волны с плазмонной структурой в видецепочки серебряных наноцилиндров в оптическом диапазоне частот.Результаты численного расчёта коэффициентов отражения R, прохожденияT, и поглощения A в зависимости от частоты электромагнитной волны.5.Результаты численного расчёта усиления напряженности электрическогополя в цепочке металлических наноцилиндров с разными геометрическимипараметрами. Сопоставление результатов численного счёта с результатамианалитических расчётов.6.Результаты численного расчёта усиления рамановского рассеяния в цепочкепопарнорасположенныхгеометрическимииспользованияподложкипараметрами.цепочкидлясеребряныхнаноцилиндровАнализвозможностиметаллическихсозданиясенсорапоcпрактическогонаноцилиндровобнаружениюразнымивкачествемолекулярныхкомплексов различных веществ.Научная новизнаПроведенные исследования расширяют существующие представления ометаматериалах с отрицательным показателем преломления, а также о периодическихплазмонных структурах в виде металлических элементов в диэлектрической матрице.Впервыебыларассмотренапериодическаябигиротропнаясредаизметаматериала с одноосной анизотропией и рассчитан угол вращения плоскостиполяризации электромагнитной волны, гармонически изменяющийся вдоль еёраспространения.Дляоднороднойбигиротропнойсредысотрицательнымпоказателем преломления был получен вектор Умова-Пойнтинга, который при малойгиротропии противонаправлен фазовой скорости.3В приближении геометрической оптики было показано, что оптический эффектМагнуса в неоднородных средах с отрицательным показателем преломления такжеаномален, как аномальны эффекты Доплера, Черенкова-Вавилова, преломления светав однородных средах с отрицательным показателем преломления.Была представлена теоретическая модель метаматериала, состоящего изупорядоченной системы аморфных ферромагнитных микропроводов.

Было показано,что такой метаматериал проявляет отрицательный показатель преломления вреалистичной области частот электромагнитного спектра.Было проведено комплексное теоретическое исследование распространенияповерхностных плазмонных мод в периодической цепочке тесно расположенных другк другу металлических наноцилиндров, вкрапленных в диэлектрическую среду. Былапостроена численная двумерная модель распространения электромагнитной TEволны через цепочку серебряных наноцилиндров с разными диаметрами ирасстояниями между цилиндрами в оптической области спектра.

Было показано, чтокоэффициенты отражения, а также прохождения TE-волны в цепочке наноцилиндровнемонотоннозависятотчастоты,благодарявозникновениюколлективныхповерхностных плазмонных резонансов в металлических наноцилиндрах. Нарезонансныхчастотахвозникаютмодыввидескачковнапряженностиэлектромагнитного поля.

Напряженность локального электрического поля в зазоремежду наноцилиндрами во много раз усилена по отношению к напряженностипадающего электрического поля в условиях резонанса. Показано, что варьируядиаметры цилиндров и расстояния между ними, можно изменять положениерезонансных частот. Таким образом, рассмотренная плазмонная структура являетсяуправляемой.Результаты,полученныепривыполненииработы,являютсяновыми,представляют несомненный интерес и имеют важное научное значение висследовании метаматериалов.Достоверность результатовДостоверностьработыподтверждаетсятем,чточастьтеоретическихрезультатов описывает экспериментально установленные эффекты. Достоверностьрезультатовдиссертационнойработытакжеобеспечиваетсяиспользованиемапробированных методов, совпадением полученных в работе результатов сэкспериментальными и известными теоретическими результатами.4Практическая значимость работыРезультаты данной диссертационной работы по теоретическому изучениюметаматериалов представляют несомненный интерес с практической точки зрения.Они могут быть полезны для создания управляемых метаматериалов из аморфныхферромагнитных микропроводов состава Co-Fe-Cr-B-Si в СВЧ диапазоне частот.Особенностью представленной в диссертационной работе теоретической моделиметаматериала из упорядоченной структуры микропроводов является то, чтооптическуюнеоднородностьградиентомвнешнегопоказателямагнитногопреломленияполя.Такимможнообразом,регулироватьпредставленныйметаматериал является управляемым.Результаты работы по изучению периодических плазмонных структур можноиспользовать в спектроскопии для создания датчиков по обнаружению молекулярныхкомплексоврамановскоеразличныхрассеяние)веществнаподложек.основеSERS(Поверхностно-усиленнаяДействиетакихсенсоровоснованонавозбуждении различных плазмонных мод в системе наноцилиндров и рамановскомрассеянии этих плазмонов на исследуемых молекулах.

В случае совпадения спектроврамановскогорассеянияиспектровплазмонногорезонансапроисходитмультипликативное усиление рассеяния. При этом усиление рамановского рассеянияможет достигать миллиардов и десятков миллиардов величины. Данный методдетектирования молекул может использоваться в широком спектре прикладных задач:в области медицины и здравоохранения для идентификации многих лекарственныхпрепаратов, таких как, аспирин, и др., в области безопасности и т.д.Апробация работыОсновныерезультатыработыбылипредставленынароссийскихимеждународных конференциях в виде устных и стендовых докладов (тезисы и трудыконференцийопубликованывсоответствующихсборниках):международныхнаучных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов»(Москва, 2006, 2007, 2008); Московских международных симпозиумах по магнетизму«MISM» (Москва, 2005, 2008, 2011); международной школе-семинаре «Новое вмагнетизме и магнитных материалах НМММ-XX» (Москва, 2006); Курчатовскойконференции молодых учёных «5-я Курчатовская конференция молодых ученых»(Москва, 2007); международных конференциях “SPIE Optics+Photonics” (Сан Диего,52008, 2010, 2012); международной конференции американского физическогообщества «APS March Meeting» (Питтсбург (США), 2009); симпозиуме поэлектромагнитнымисследованиям«PIERS»(Москва,2009);международныхконференциях «Дни дифракции» (Санкт-Петербург, 2010, 2012); ежегодных научныхконференциях ИТПЭ (Москва, 2011, 2012); международной конференции “ICMAT”(Сингапур, 2011); международной конференции “ETOPIM” (Марсель, 2012).ПубликацииМатериалы диссертационной работы опубликованы в 34 печатных работах, изних 7 статей в рецензируемых журналах, 6 статей в сборниках трудов конференций,21 работа в сборниках тезисов докладов всероссийских и международныхконференций.Личный вклад автораДанная работа выполнялась в рамках нескольких исследовательских проектов,направленных на теоретическое изучение оптических и электродинамических свойствметаматериалов в различных областях электромагнитного спектра.