Korean Journal of Optics and Photonics (한국광학회지)

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Propagation of surface polaritons at the interface of metal and left-handed metamaterial

금속과 왼손잡이 메타-물질의 경계면에서 형성되는 표면 폴라리톤의 전파 특성

  • 윤재웅 (한양대학교 물리학과, 마이크로 광학 국가지정 연구실) ;
  • 송석호 (한양대학교 물리학과, 마이크로 광학 국가지정 연구실) ;
  • 오차환 (한양대학교 물리학과, 마이크로 광학 국가지정 연구실) ;
  • 김필수 (한양대학교 물리학과, 마이크로 광학 국가지정 연구실)
  • Published : 2004.04.01
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Abstract

At the interface of two materials with frequency-dependent material-parameters of permittivity and permeability, there may exist two kinds of surface polaritons: surface electric-polaritons(SEPs) and surface magnetic-polaritons(SMPs). Possible combinations of the material-parameters to support propagation of the two surface polaritons are suggested at the interface between metals and metamaterials such as a left-handed material. Dispersion relations are also derived in order to characterize frequency dependence of propagation of the SEP and SMP. It is found that only one propagation mode of SEP or SMP is allowed at a given set of four material parameters, and that counter-propagation of the phase and group velocities of the propagation mode can be observed even in the case when there are no double negative(or, negative-index) materials. Physical origin of the counter-propagation of the group velocity is proposed by evaluating the ratio of two electromagnetic-energy densities of a surface polariton propagating along within the two interface media, and it is confirmed by the dispersion relations.

금속에서의 흥미로운 광학적 특성들은 주로 표면 폴라리톤(surface polaritons: SP)의 기여에 의해 나타난다. 물질상수(유전율과 투자율)가 모두 음수인 왼손잡이 물질(left-handed materials: LHM)의 표면에서도 두 종류의 SP인 표면 전기-폴라리톤(surface electric-polariton: SEP), 또는, 표면 자기-폴라리톤(surface magnetic-polariton: SMP)이 형성되어 군속도와 위상속도가 서로 반전되는 경우가 발생한다. 본 논문에서는 금속물질과 LHM와 같은 메타물질(metamaterials)의 경계면에서 발생하는 SP의 전파특성을 분산관계를 통하여 분석하였다. 임의의 물질상수를 갖는 두 매질의 경계면에서 SEP와 SMP가 생성될 수 있는 일반화된 조건을 도출하였으며, 양쪽 매질을 통해 전파하는 에너지 비율의 차이에 의해 군속도와 위상속도가 반전된다는 물리적인 원인을 제안하였다. 도출된 SP 생성조건을 이용하여 금속물질과 메타물질의 경계면에서 전파하는 SEP와 SMP의 분산관계를 구하고, 주파수에 따라 다양한 SP의 전파특성이 나타날 수 있음을 보였다. SEP 및 SMP 분산관계로부터 구한 정량화 된 전파특성은 SP가 존재하기 위한 매질의 일반화된 조건과 에너지 전파 비율의 계산으로부터 얻은 결과와 일치함을 확인하였다. 특히, 두 매질 중 어느 한 매질이 LHM이 아니더라도 SP은 위상속도와 군속도가 반전되어 전파될 수 있음을 밝혀내었다.

Keywords

References

  1. Introduction to solid state physics(7th ed.) C.Kittel
  2. Appl. Phys. Lett. v.71 Ultrafast all-optical switch using complex refractive index changes of thin films containing photochromic dye K.Sasaki;T.Nagamura https://doi.org/10.1063/1.119571
  3. Opt. Lett. v.18 All-optical spatial modulator with surface plasmons resonance T.Okamoto;T.Kamiyama;I.Yamaguchi https://doi.org/10.1364/OL.18.001570
  4. Phys. Rev. Lett. v.33 Optical second-harmonic generation with surface plasmons in silver films H.J.Simon;D.E.Mitchell;J.G.Watson https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.33.1531
  5. Nature v.391 no.12 Extraordinary optical transmission through sub-wavelengh hole arrays T.W.Ebbesen;H.J.Lezec;H.F.Ghaemi;T.Thio;P.A.Wolff https://doi.org/10.1038/35570
  6. Nature v.418 no.18 Plasmon-assisted transmission of entangled photons E.Altewischer;M.P.van Exter;J.P.Woerdman https://doi.org/10.1038/nature00869
  7. Science v.297 Beaming light from a subwavelength aperture H.J.Lezec;A.Degiron;E.Devaux;R.A.Linke;L.Martin-Moreno;F.J.Garcia-Vidal;T.W.Ebbesen https://doi.org/10.1126/science.1071895
  8. Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings H.Raether
  9. Phys. Rev. Lett. v.90 no.16 Theory of highly directional emission from a single subwavelength aperture surrounded by surface corrugations L.Martin-Moreno;F.J.Garcia-Vidal;H.J.Lezec;A.Degiron;T.W.Ebbesen https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.167401
  10. Optics Communications v.198 Analysis of the Ebbesen experiment in the light of evanescent short range diffraction J.M.Vigoureus https://doi.org/10.1016/S0030-4018(01)01522-X
  11. Phys. Rev. B v.66 Transmission and focusing of light in one-dimensional periodically nanostructured metals F.J.Garcia-Vidal;L.Martin-Moreno https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.155412
  12. Phys. Rev. B v.62 no.23 Theory of light transmission through subwavelength periodic hole arrays E.Popov;M.Neviere;S.Enoch;R.Reinisch https://doi.org/10.1103/PhysRevB.62.16100
  13. Classical Electrodynamics(3rd ed.) J.D.Jackson
  14. Appl. Phys. Lett. v.77 no.14 Direct calculation of permeability and permitivity for a left-handed metamaterial D.R.Smith;D.C.Vier;N.Kroll;S.Schultz https://doi.org/10.1063/1.1314884
  15. Phys. Rev. Lett. v.84 no.18 Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity D.R.Smith;W.J.Padilla;D.C.Vier;S.C.Nemat-Nasser;S.Schultz https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.4184
  16. Phys. Rev. Lett. v.76 no.25 Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures J.B.Pendry;A.J.Holden;W.J.Stewart;I.Youngs https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.4773
  17. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. v.47 no.11 Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena J.B.Pendry;A.J.Holden;D.J.Robbins;W.J.Stewart https://doi.org/10.1109/22.798002
  18. Electromagnetic surface modes A.D.Boardman
  19. Phys. Lett. A v.277 Surface polaritons of a left-handed medium R.Ruppin https://doi.org/10.1016/S0375-9601(00)00694-0
  20. J.Phys.: Condens. Matter v.13 Surface polaritons of a left-handed material slab R.Ruppin https://doi.org/10.1088/0953-8984/13/9/304
  21. Physics of the Solid State v.43 no.11 Surface polaritons in composite media with time dispersion of permittivity and permeability Yu.I.Bespyatykh;A.S.Bugaev;I.E.Dikshtein https://doi.org/10.1134/1.1417193
  22. Phys. Rev. Lett. v.47 no.28 Long-range surface-plasma waves on very thin metal films D.Sarid https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.47.1927