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全介电超材料

全介电超材料 微波工程仿真
2025-03-28
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导读:通过金属或极性介电材料构造的超材料有不可避免的损耗。而由全电介质、完全透明的单元组成的超材料,已被证明可以实现电磁响应的所有四个象限,并克服了损耗的问题。



通过金属或极性介电材料构造的超材料有不可避免的损耗。而由全电介质、完全透明的单元组成的超材料,已被证明可以实现电磁响应的所有四个象限,并克服了损耗的问题。

目录



  • 各向同性和各向异性全介电超材料
  • 全介电零折射率超材料
  • 参考资料



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As shown below👇

*各向同性和各向异性全介电超材料

由全电介质、完全透明的构建块组成的超材料,其不耦合到等离激元,可以实现电磁响应的所有四个象限:ε > 0,μ > 0;ε < 0,μ > 0;ε > 0,μ < 0;ε < 0,μ < 0, (图 a)。

这种方法克服了散热的关键问题。介电超材料在亚波长单元之间采用近场耦合,其中波长尺度周期性为光限制产生带隙效应。全介电超材料的另一个特性在于,设计介质各向异性的可能性很大。与两种可能的极化(非凡和普通)的主折射率很少超过 10% 的天然材料不同,全介电超材料可以设计成具有更高的折射率对比度。一旦这个折射率对比度增加,就可以制造全介电超表面:它可以在光谱上塑造光波前并控制光偏振,远远超出传统衍射或折射光学元件的能力。这些各向异性介质还可以引导和引导 Dyakonov 表面波用于信息处理并将光限制在纳米级不使用金属部件。




*全介电零折射率超材料

零折射率超材料(ZIM) 已成为一类重要的人工介质,其有多种特性如:伪装、通过弯曲通道的亚波长波导、定向辐射方向图、无限相速度和零相累积。

与 ENZ 或 MNZ 介质相比,ZIM 的一个基本优势是波阻抗与真空匹配,这导致光在法向入射时有效耦合。虽然 ENZ 通常在等离子体频率 (ωp) 的任何金属 (ε′(ωp) ≈ 0) 或纵向光频率 (ω瞧) 的任何极性电介质 (ε′(Ω) ≈ 0),则 MNZ 在光学频率下明显更难实现。


在电和磁响应中具有 Drude 色散的等离子体的理想模型显示了 Dirac 锥和零折射率介质之间的联系 (图 a)。


这种等离子体中光子波的能量-动量 (E-k) 色散在 k = 0 时显示出双锥形结构(图 a)。通带对应于各向同性等离子体光线内的波。两个圆锥形通带区域交点的奇异狄拉克点与同时达到 ENZ 和 MNZ 的能量(频率)有关。然而,即使实现了 ZIM 的这种理想等离子体实现,它在特殊的 Dirac 点也会受到高耗散的影响。这是因为群速度 (υg) 的 ) 是低 (υg→ 0),即使相速度 (υ酸碱度) 较大 (υ酸碱度 = c/n → ∞),其中 c 是真空中的光速。有趣的是,全介电非等离子体构建块 (ε > 1) 原则上可用于实现极端参数,包括折射率消失。



参考文献



[1] Jahani, S., Jacob, Z. All-dielectric metamaterials. Nature Nanotech 11, 23–36 (2016). https://doi.org/10.1038/nnano.2015.304

        



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微波工程仿真
关注数学、电磁理论、微波射频、电路、工业设计等内容以及相关的仿真、设计工具软件。
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