Магнитооптические явления в метаматериалах и периодические плазмонные структуры, страница 4

Основой детектирующего устройства является пленка свключениями металла. Такая пленка состоит из двухмерной матрицы металлическихцилиндров,размеркоторыхсоставляетнесколькодесятковнанометров.Металлические включения можно рассматривать как наноскопические антенны,собирающиепадающееизлучение.Наподложку,состоящуюизсистемыпараллельных, попарно расположенных цилиндров из серебра, помещенных вдиэлектрик, наносится исследуемое вещество.

Посредством лазера с фиксированнойилиперестраиваемойчастотой,вобластивидимогоилиИК-диапазонаэлектромагнитного спектра, производится облучение вещества световой волной,причем таким образом, чтобы вектор напряженности электрического поля волны былперпендикулярен к главным осям цилиндров. Длина волны лазерного пучкавозбуждения много больше характерного размера наноцилиндров. В результатевзаимодействия электромагнитной (световой) волны с металлическими включениями,возбуждаютсяплазмонныеколебаниявволноводе,образованномблизкорасположенными металлическими наноцилиндрами.

Эти колебания имеют несколькорезонансных частот, соответствующих стоячим плазмонным волнам. Разработанныеметоды численного моделирования, основанные на полномасштабном решенииуравнений Максвелла, позволяют настраивать подложку плазмонного сенсора такимобразом, чтобы линии плазмонного резонанса совпадали с линиями рамановскогорассеяния вещества, которое необходимо обнаружить. В случае совпадения спектроврамановскогорассеяниямультипликативноеиусилениеспектровплазмонногорассеяния,котороерезонансаможетпроисходитдостигатьдесятковмиллиардов величины.

Таким образом, плазмонный сенсор способен обнаруживатьмолекулы и молекулярные комплексы различных веществ.В качестве примера рассмотрим раствор 2,4,6-тринитротолуола (2,4,6- TНT) вацетонитриле, рамановский спектр которого изображен на (Рис. 8).Спектр рамановского рассеяния ТНТ находится в области от 0.11 эВ до 0.20 эВи имеет свои уникальные пики интенсивности на частотах, сдвинутых относительночастоты падающего излучения на dw1 = 0.114 эВ , dw 2 = 0.13 эВ,dw 4 = 0.189 эВ, dw 5 = 0.197 эВ .20dw3 = 0.1674 эВ,Рассчитаем расстояние междурезонанснымипикамиусилениянапряженностилокальногоэлектрического поля для различныхзначенийсистемедиаметрапопарноцилиндровврасположенныхцилиндров (Рис.9).

Воспользовавшисьрезультатами, представленными на(Рис.9),можноустановить,чтоРис. 8. Рамановский спектр 2,4,6 тринитротолуола (2,4,6TНT) [86]: Концентрация раствора (C6H5N3O6) составляет2.2 ммоль/л; Длина волны излучения лазера – 244 нм.условию совпадения хотя бы двухпиков в спектрах рамановского рассеяния тринитротолуола и плазмонного резонансав рассматриваемой системе цилиндров, соответствует только одна конфигурацияцилиндров с диаметром D=18 нм.Если же использовать в качествеподложкисенсорацепочкуцилиндров с разными диаметрами, товозможноподобратьтакиепараметры системы, при которыхкаждому пику рамановского сигналаTНT, представленному на (Рис.8),будет соответствовать свой наборцилиндров с диаметрами D, равными2.8 нм, 3.5нм, 4.6 нм, 5.5 нм, 6 нм.Таким образом, плазмонныесенсорывещества,позволяютраспознаватьопределяяналичиеввеществе тех или иных молекул.ДанныйметодРис.

9. Расстояние между резонансными пиками усилениянапряженности локального электрического поля взависимости от диаметра цилиндров в логарифмическоммасштабе: синие диски соответствуют разнице междувторой и первой резонансными частотами dw1 = w 2 - w1 ;фиолетовые треугольники – между третьей и первойdw 2 = w 3 - w1 ; красные квадраты – между четвертой ипервой dw3 = w 4 - w1 ; зеленые ромбы – между третьей ивторойdw 4 = w3 - w 2 ; оранжевые эллипсы – междучетвертой и второй dw 5 = w 4 - w 2 ; коричные шестигранники- между четвертой и третьей dw 6 = w 4 - w 3 .детектированиямолекул может использоваться в широком спектре прикладных задач: в областимедицины и здравоохранения для идентификации многих лекарственных препаратов,таких как, аспирин, ацетаминофен и др.; в области безопасности, в военных целях дляопределения некоторых взрывчатых веществ, таких, как гексоген, тринитротолуол идр.21В разделе 3.4 приведены основные результаты и выводы к Главе 3.Всуммируютсязаключенииосновныерезультатыивыводыдиссертационной работы.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ1.

Впервыерассчитанэлектромагнитнойэффектволныввращенияплоскостибигиротропнойсредесполяризацииотрицательнымпоказателем преломления с учётом периодичности. Показано, что уголповорота плоскости поляризации электромагнитной волны в такой средеувеличивается при приближении модуля волнового вектора k 0 к значениюq 2 = p a (2), что сходно с резонансным взаимодействием электромагнитнойволны с периодической гиротропной средой. При значениях волновоговектора k 0 = q m1 2(e1 + m1 ) периодический гиротропный вклад меняет знак, ав точках с координатой z = Np q = Na 2 периодический вклад в эффектФарадея исчезает. Рассчитан вектора Умова-Пойнтинга.

Показано, что привыполнении условия m0 < 1 , он направлен в противоположную сторонуvволновому вектору k 0 , как и должно быть в негиротропной среде сотрицательным показателем преломления. При m0 > 1 (3), вектора УмоваvПойнтинга сонаправлен с волновым вектором k 0 бегущей электромагнитнойволны в отличие от негиротропных сред с отрицательным показателемпреломления.2. Впервые теоретически предсказана возможность создания метаматериала изпараллельныхферромагнитныхмикропроводовсоставаCo-Fe-Cr-B-Si,проявляющего отрицательные магнитную и диэлектрическую проницаемостив СВЧ диапазоне частот.

Показано, что оптическую неоднородность впредложенном метаматериале можно создавать, помещая его в неоднородноевнешнее магнитное поле.3. Аналитически рассчитан оптический эффект Магнуса. Показано, чтооптическийэффектМагнусааномаленвнеоднородныхсредахсотрицательным показателем преломления, как эффекты Доплера, ЧеренковаВавилова, Гуса-Ханкена, а также преломления света в однородных средах сотрицательным показателем преломления.224. Построенадвумерная(2D)численнаямодельвзаимодействияэлектромагнитной TE-волны с цепочкой серебряных наноцилиндров воптическом диапазоне частот. Показано, что коэффициенты отражения,прохождения и поглощения TE-волны немонотонно зависят от частоты всвязи с возникновением в системе коллективных плазмонных резонансов.5.

Проведен численный расчёт напряженности локального электрического поляв системе попарно расположенных серебряных цилиндров с разнымидиаметрами D и расстоянием между ними d . Показано, что в условияхрезонанса, в такой модели происходит мультипликативное усилениенапряженности локального электрического поля в зазоре между цилиндрамипосравнениюИнтенсивностьснапряженностьюамплитудыпадающегонапряженностиэлектрическогоэлектрическогополя.поля2E E0 достигает значения 105.6. Проведен численный расчёт коэффициента G усиления рамановскогорассеяния в цепочке попарно расположенных наноцилиндров. Показано, чтоинтенсивность рамановского рассеяния достигает значения 109.

Показано, чтоварьируя диаметры цилиндров D и расстояния между ними d , можноизменять положение частот плазмонного резонанса. Таким образом,рассматриваемая плазмонная структура является управляемой.7. Предложена возможность практического использования цепочки серебряныхцилиндров в качестве подложки для работы сенсора по обнаружениюмолекулярных комплексов. Подобраны такие геометрические параметрыцилиндров, при которых спектры плазмонного резонанса в рассматриваемоймодели совпадают со спектрами рамановского рассеяния тринитротолуола.СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИОпубликованные статьи в реферируемых журналах, а также в сборниках трудовконференций1.A. Ivanov, A. Shalygin, P.

Vorobev, S. Vergeles & A.K. Sarychev “Plasmonexcitation in array of adjoining meal nanorods: field enhancement and opticalsensing” // IEEE, Days on Diffraction 2012 Proceedings (2012), P. 1-5 –accepted.232.A. Ivanov, A. Shalygin & A. K. Sarychev “TE-wave propagation through 2Darray of metal nanocylinders” // Solid State Phenomnea (2012) V. 190, P.

577580.3.A. Ivanov, A. Shalygin, V. Lebedev, P. Vorobev, S. Vergiles & A. K. Sarychev“Plasmonic extraordinary transmittance in array of metal nanorods” // Appl. Phys.A (2011) DOI 10.1007/s00339-011-6731-3, INVITED PAPER, 7 pages.4.A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin, A. Vedyayev & V. Ivanov “Metamaterialsfrom amorphous ferromagnetic microwires: interaction between microwires” //Solid State Phenomena (2009) V. 152-153, P.

357-360.5.A. Ivanov, V. Galkin, V. Ivanov, D. Petrov, K. Rozanov, A. Shalygin & S.Starostenko “Metamaterials fabricated of amorphous ferromagnetic microwires:negative microwave permeability” // Solid State Phenomena (2009) V. 152-153,P. 333-336.6.A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin, A. Vedyayev & V. Ivanov “Metamaterialswith tunable negative refractive index fabricated from amorphous ferromagneticmicrowires: magnetostatic interaction between microwires” // PIERS Proceedings(2009) P.

1675-1678.8. А. В. Иванов, А. Н. Шалыгин, А.В. Ведяев, В. А. Иванов «Управляемыеметаматериалы из аморфных ферромагнитных микропроводов» // Сборниктрудов. 5-я Курчатовская молодежная научная школа (2008). С. 244-251.9. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin , A. Vedyayev & V. Ivanov “Metamaterialswith tunable negative refractiveindexfabricated from nanoamorphousferromagnetic microwires and Magnus optical effect” // SPIE Proceedings (2008)V. 7029, P. 70291H-7034H.10.

А. В. Иванов, А. Н. Шалыгин, А. В. Ведяев, В. А. Иванов «Оптическийэффект Магнуса в метаматериалах из ферромагнитных микропроводов» //Письма в ЖЭТФ (2007) Т. 85, № 11, С. 694-698.11. A. Ivanov, A Shalygin, A. Vedyayev & V. Ivanov “Optical Magnus effect intunable metamaterials fabricated from amorphous ferromagnetic microwires” //First International Congress on Advanced Electromagnetic Materials inMicrowaves and Optics: Metamaterials’2007 Proceedings (2007) P. 366-368.12.