Дослідження динаміки гіперболічної дисперсії у наноструктурах на основі золотих наночастинок

Abstract

У цій роботі досліджено електромагнітні властивості десятків резонансних анізотропних метаповерхонь, що представляють собою періодичні субхвильові масиви золотих наночастинок, у видимому та ближньому інфрачервоному спектрах. Особливий інтерес представляють гіперболічні метаповерхні, що підтримують поверхневі електромагнітні хвилі з гіперболічною дисперсією. Зокрема, проаналізовано вплив геометричних параметрів наночастинок, періоду наноструктури й показника заломлення підкладки на амплітуди й спектральні позиції плазмонних резонансів, а також спектральну ширину гіперболічного режиму метаповерхні. Виведено універсальні емпіричні формули, які дозволяють одразу отримати наближений дизайн анізотропної метаповерхні з бажаними резонансними властивостями. В якості яскравого прикладу, продемонстровано підбір дизайну метаповерхні для реалізації режиму каналювання поверхневих хвиль, що характеризується специфічним співвідношенням резонансів наноструктури й проявляється, як високонапрямлене розповсюдження поверхневих хвиль. Отримані результати можуть бути використані для формування експрес-дизайнів резонансних анізотропних метаповерхонь, що може знайти широке застосування в планарних пристроях оптики та фотоніки.

In this work, we investigate the electromagnetic properties of dozens of resonant anisotropic metasurfaces, which are periodic subwavelength arrays of gold nanoparticles, in the visible and near-infrared spectra. Of particular interest are hyperbolic metasurfaces that propagate surface electromagnetic waves with hyperbolic dispersion. In particular, we analyze the influence of the geometric parameters of nanoparticles, the period of the nanostructure, and the refractive index of the substrate on the amplitudes and spectral positions of plasmon resonances, as well as the spectral bandwidth of the hyperbolic metasurface regime. In this framework, we consider nanoparticles in the form of thin nanodisks with rectangular and elliptical cross-sections in the metasurface plane. As a result, universal empirical formulas have been derived that allow us to immediately obtain an approximate design of an anisotropic metasurface with the desired resonant properties. In addition, the nonlinear dependences of the resonant wavelength on the degree of stretching of nanoparticles in the case of extreme anisotropy are investigated. As a striking example, the selection of the metasurface design for the realization of the surface wave canalization regime, characterized by a specific ratio of nanostructure resonances and manifested as highly directional surface wave propagation is demonstrated.