Автореферат (Электромагнитный отклик метаплёнок)

На правах рукописиТЕРЕХОВ ЮРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ОТКЛИК МЕТАПЛЁНОК01.04.03 РадиофизикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукМосква 2015Работа выполнена на кафедре физики колебаний физического факультетаМосковского государственного университета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:Белокопытов Геннадий Васильевичкандидат физико-математических наук, доцентОфициальные оппоненты: Кисель Владимир Николаевич,доктор физико-математических наук, доцент,заместитель директора по научной работеИнститута теоретической и прикладнойэлектродинамики Российской академии наукЗубко Светлана Петровна,кандидат физико-математических наук,доцент Санкт-Петербургского государственногоэлектротехнического университета«ЛЭТИ» им.

В.И. Ульянова (Ленина)Ведущая организация:Институт общей физики им. А.М. ПрохороваРоссийской академии наукЗащита состоится 09 апреля 2015 г. в 16 часов на заседании диссертационногосовета Д 501.001.67 при Московском государственном университете им.М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-2, Москва, Ленинские горы,МГУ им.

М.В. Ломоносова, дом 1, строение 2, физический факультет,аудитория им. Р.В. Хохлова.С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московскогогосударственного университета им. М.В. Ломоносова и по адресу в интернетеhttp://phys.msu.ru/rus/research/disser/sovet-D501-001-67/Terekhov2014/disser_Terekhov.pdf.Автореферат разослан «»2015 г.Ученый секретарьдиссертационного советаКоролев А.Ф.Общая характеристика работыАктуальность работы. Одной из актуальных задач современной физикиявляется создание материалов, обладающих новыми необычными электромагнитными свойствами, не встречающимися у обычных природных материалов. Эту задачу призваны решить метаматериалы — искусственные композитные структуры,состоящие из малых субволновых частиц, помещённых в диэлектрическую матрицу или расположенных на подложке.

Так же как твёрдые вещества состоят изатомов, расположенных в узлах кристаллической решётки, так и метаматериалы вбольшинстве случаев представляют собой массивы периодически расположенныхмакроскопических частиц — «мета-атомов».Свойства обычных веществ определяются составляющими их частицами (атомами, молекулами, ионами), а электромагнитные характеристики метаматериалов определяются составляющими их «мета-атомами». Однако, если параметры иструктура самих атомов фиксированы, то свойства их макроскопических аналоговможно целенаправленно проектировать путём изменения их геометрии, материала или периода расположения.

Это открывает большие перспективы в получениижелаемого электромагнитного отклика.Метаматериалы перспективны для создания сред с отрицательными или близкими к нулю показателями преломления, всевозможных линз, различных антенн,фильтров, абсорберов и модуляторов, в том числе в активно исследуемом терагерцовом диапазоне, и многих других устройств. Кроме того, использование метаматериалов открывает пути создания маскирующих устройств [1,2]. Преимуществом метаматериалов является возможность масштабирования размеров «метаатомов», позволяющая получать требуемый электромагнитный отклик в любомчасти спектра.Интерес к метаматериалам возник на рубеже XX и XXI веков, в связи свозможностью получения сред с отрицательным эффективным показателем преломления. Основы в этом направлении были заложены в 1967 году работой Веселаго [3]. Возможность экспериментальной реализации таких сред появилась в1999 году, когда Пендри предложил [4] использовать для получения отрицательной магнитной проницаемости периодические массивы из пары вложенных другв друга металлических резонаторов С-образной формы.

Такие резонаторы по-3лучили название кольцевых (SRR, split-ring resonator). В 2000 Пендри предложил концепцию «суперлинзы» [5], представляющую собой плоскопараллельнуюпластинку с отрицательным показателем преломления и позволяющую получатьизображение объекта с разрешением, превосходящим дифракционный предел. Втом же году группа Смита продемонстрировала [6] первую экспериментальнуюреализацию метаматериала с отрицательным показателем преломления, основанную на использовании комбинации металлических стерженьков и С-образных резонаторов.При продвижении рабочих частот метаматериалов с отрицательным показателем преломления в области терагерцовых, инфракрасных, а потом и оптическихчастотах форма резонаторов претерпела существенную эволюцию, и в настоящеевремя «каноническим» строительным блоком является металлический резонаторП-образной формы [7, 8].

Кроме сред с отрицательным показателем преломленияактивно исследуется метаматериалы обладающие близкими к нулю значениямипроницаемостей, свойствами бианизотропии и хиральности.Большинство научных работ по метаматериалам фокусируется на рассмотрении коллективных свойств массивов частиц, таких как эффективные проницаемости, показатель преломления или коэффициенты прохождения и отражения.При этом исследованию свойств отдельных частиц уделяется значительно меньшее внимание, хотя именно они определяют электромагнитный отклик.

Крометого, отдельные субволновые частицы могут использоваться в качестве излучателей или элементов нанолазеров. В связи с этим, представляется актуальным ицелесообразным проводить рассмотрение метаматериалов «от печки» — со свойствотдельной резонансной частицы.Характеристикой, описывающей взаимодействие электромагнитной волны счастицей является матрица поляризуемости, которая связывает внешнее поле синдуцируемыми в частице дипольными электрическим и магнитным моментами.Аналитическое решение задачи рассеяния плоской электромагнитной волны быловпервые получено Густавом Ми в 1908 году для случая сферической частицы [9].Позднее решение Ми было обобщено на случай эллипсоидальных частиц, бесконечных цилиндров и сферических металлодиэлектрических резонаторов.

Аналитического решения задачи рассеяния для частиц сложной формы не существует,поэтому для её решения используются различные методы численного моделиро4вания. Отметим, что в [10] представлен метод расчёта некоторых компонент поляризуемости резонаторов произвольной формы и нулевой толщины по результатамчисленного расчёта параметров рассеяния массива таких частиц. Тем не менее,универсальной методики расчёта всех коэффициентов матрицы поляризуемостичастицы произвольной формы в литературе не представлено.При переходе рабочих частот метаматериала от микроволновых к оптическим размеры частиц уменьшаются с единиц миллиметров до сотен нанометров.Создание таких мелкомасштабных структур возможно с использованием различных видов литографии.

Поскольку эти технологии планарные, то в рамках работпо метаматериалам наиболее часто исследуются двумерные композитные структуры — метаплёнки. Они обладают теми же свойствами и характеристиками, чтои их трёхмерные аналоги, но их изготовление проще и дешевле. Свойства метаплёнок удобно описывать коэффициентами прохождения и отражения.Для прогнозирования свойств метаплёнок также широко используется численное моделирование.

Обычно моделируется элементарная ячейка и используются периодические граничные условия. Однако при возникновении потребностирассмотреть различные углы падения, поляризации излучения, периоды расположения резонаторов или их ориентации в метаплёнке число расчётов и машинноевремя пропорционально возрастают.

Кроме того, такой численный расчёт не учитывает неидентичность размеров резонаторов в экспериментальном образце, обусловленную особенностями технологий изготовления, и влияющей на итоговыйотклик метаплёнки.В связи с этим является актуальным и представляет интерес создание моделирасчёта параметров метаплёнки на основе данных о поляризуемостях отдельныхчастиц с учётом их неидентичности. В работах [11, 12] был первоначально развитсоответствующий подход. Однако, он рассчитан только на случай метаплёнок,составленных из частиц с диагональной матрицей поляризуемости, и не применимдля частиц произвольной формы, в том числе для бианизотропных П-образныхрезонаторов. Отметим, что идеи [11,12] также развиваются в недавней работе [13],однако, представленный в настоящей диссертации подход является более общим.5Целью диссертационной работы является разработка методики определения эффективных параметров одиночных субволновых резонаторов произвольной формы и периодических планарных решёток из них, а также исследованиевлияния вариации геометрических и электрофизических параметров на электромагнитные свойства таких структур.В качестве одиночных резонаторов в работе рассматриваются П-образныеметаллические резонаторы, а также сферические металлические, сегнетоэлектрические и металл-диэлектрические резонаторы.Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующиезадачи:1.

Разработка методики расчёта полной матрицы поляризуемости одиночнойчастицы.2. Исследование свойств спектров поляризуемости субволновых частиц при ихразличных геометрических параметрах и составляющих материалах.3. Разработка методики, позволяющей рассчитать на основе полной матрицыполяризуемости одиночной частицы коэффициенты прохождения и отражения метаплёнки, состоящей из таких частиц.4.

Экспериментальная проверка результатов расчётов в различных частотныхдиапазонах на различных модельных объектах.Научная новизна:1. Представлена методика расчёта полной матрицы поляризуемости субволновой частицы произвольной формы.2. Впервые получена полная матрица поляризуемости металлическогоП-образного резонатора в широком диапазоне частот.3. Определены зависимости поведения резонансных частот, амплитуд резонансов и добротностей П-образных и сферических металлодиэлектрических резонаторов при изменении их геометрических размеров от единиц миллиметров до десятков нанометров.4. Обобщена методика расчёта коэффициентов прохождения и отражения метаплёнки по полной матрице поляризуемости единичных частиц на случайчастиц произвольной формы.65.

Показано, что методика позволяет рассчитывать коэффициенты прохождения и отражения метаплёнки в случае, когда составляющие её частицыимеют статистический разброс размеров.6. Численно и экспериментально исследованы спектральные зависимости коэффициентов прохождения и комплексных показателей преломления метаплёнок терагерцового диапазона при вариации их геометрических параметров.Теоретическая и практическая значимость.

Результаты работы могутбыть использованы при создании новых материалов и устройств на основе планарных двумерных решёток из субволновых резонаторов (метаплёнок) работающихв микроволновом, терагерцовом и оптическом диапазонах.Разработанная методика расчёта электромагнитных характеристик метаплёнок позволяет ускорить их прототипирование, а также учесть влияние статистического разброса размеров составляющих её резонаторов.Положения, выносимые на защиту1. Разработана методика определения матрицы дипольной поляризуемости субволновой частицы произвольной формы по результатам нескольких численных моделирований рассеяния на ней плоской электромагнитной волны.Рассчитан полный набор компонентов матрицы поляризуемости металлических наночастиц П-образной формы.

Установлено, что главный вклад виндуцирование значительных магнитных дипольных моментов на оптических частотах обусловлен магнитоэлектрической, а не магнитной поляризуемостью.2. Показано, что в металлических и металлодиэлектрических субволновых резонаторах при приближении собственных частот резонаторов к плазменнымчастотам колебаний в металлах вследствие дисперсии комплексной диэлектрической проницаемости происходит перераспределение энергии, приводящее не только к ограничению роста резонансных частот при уменьшенииразмеров частиц, но и к увеличению добротности их колебаний.3. Обобщена на случай частиц произвольной формы методика расчёта коэффициентов прохождения и отражения метаплёнки, исходя из полной матрицыполяризуемости составляющих её частиц.74.