vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2018-54-4-488-498vestifm-356Research ArticleФИЗИКАPHYSICSСвойства и энергетические характеристики особых неоднородных электромагнитных волн в гиперболических метаматериалахFeatures and energy characteristics of special inhomogeneous electromagnetic waves in hyperbolic metamaterialsПетровН. С.PetrovN. S.

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник

D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher

rectorat@ipk.byКурилкинаС. Н.KurilkinaS. N.

доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник

D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher

s.kurilkina@ifanbel.bas-net.byЗиминА. Б.ZiminA. B.

кандидат физикоматематических наук, ведущий научный сотрудник

Ph. D. (Physics and Mathematics), Leading Researcher

ab.zimin@mail.ruБелыйВ. Н.BelyiV. N.

член-корреспондент, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник

Corresponding Member, D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher

v.belyi@ifanbel.bas-net.byИнститут повышения квалификации по новым направлениям развития техники, технологий и экономики Белорусского национального технического университета, МинскInstitute for Advanced Training and Retraining of Personnel on New Directions for the Development of Technics, Technology and Economics of the Belarusian National Technical University, MinskИнститут физики им. Б. И. Степанова Национальной академии наук Беларуси, МинскB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus, MinskБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, МинскBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics, Minsk201811012019544488498Copyright © Петров Н.С., Курилкина С.Н., Зимин А.Б., Белый В.Н., 20192019Петров Н.С., Курилкина С.Н., Зимин А.Б., Белый В.Н.Petrov N.S., Kurilkina S.N., Zimin A.B., Belyi V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/356

Показано, что в условиях полного отражения плоских однородных электромагнитных волн на границе гиперболического метаматериала с обычной изотропной средой при определенных условиях вблизи поверхности метаматериала возбуждаются особые неоднородные электромагнитные волны. Их особенность заключается в том, что амплитуда таких волн изменяется при удалении от границы по неэкспоненциальному закону. Получены условия существования особых неоднородных волн и показано, что для этого оптическая ось метаматериала должна составлять определенный угол с плоскостью падения, зависящий от ее ориентации относительно главной плоскости метаматериала и оптических свойств граничащих сред. Найдены поток и плотность энергии особых неоднородных волн в гиперболическом метаматериале.

In this paper, it is shown that under the conditions of total internal reflection of plane homogeneous electromagnetic waves at the interface of a hyperbolic metamaterial and an ordinary isotropic medium, special inhomogeneous electromagnetic waves are excited in certain circumstances near the surface of the metamaterial and their amplitude changes with distance according to the non-exponential law. The existence conditions for such waves are established for the case when the optical axis is located within the interface plane and forms an angle with the plane of incidence. The energy flux and the energy density of special inhomogeneous waves in a hyperbolic metamaterial are determined.

 

гиперболический метаматериалнеоднородная электромагнитная волнаплотность энергиипоток энергииhyperbolic metamaterialinhomogeneous electromagnetic waveenergy densityenergy fluxReferencesCai, W. Optical Metamaterials – Fundamentals and Applications / W. Cai, V. Shalaev. – New York: Springer, 2010. – 198 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1151-3Cai W., Shalaev V. M. Optical Metamaterials – Fundamentals and Applications. New York, Springer, 2010. 198 p. https://doi.org/10.1007/978-1-4419-1151-3Metamaterials Handbook 1: Theory and Phenomena of Metamaterials / F. Capolino [ed.]. – CRC Press, 2009. – 926 p. https://doi.org/10.1201/9781420054262Capolino F. (ed.). Metamaterials Handbook 1: Theory and Phenomena of Metamaterials. CRC Press, 2009. 926 p. https://doi.org/10.1201/9781420054262Pendry, J. B. Negative refraction makes a perfect lens / J. B. Pendry// Phys. Rev. Lett. – 2000. – Vol. 85, № 18. – P. 3966–3969. https://doi.org/10.1103/physrevlett.85.3966Pendry J. B. Negative refraction makes a perfect lens. Physical Review Letters, 2000, vol. 85, no. 18, pp. 3966–3969. https://doi.org/10.1103/physrevlett.85.3966Sub-diffraction- limited optical imaging with a silver superlens / N. Fang [et al.] // Science. – 2005. – Vol. 308, № 5721. – P. 534–537. https://doi.org/10.1126/science.1108759Fang N., Lee H., Sun C., Zhang X. Sub-diffraction-limited optical imaging with a silver superlens. Science, 2005, vol. 308, no. 5721, pp. 534–537. https://doi.org/10.1126/science.1108759Kidwai, O. Effective-medium approach to planar multilayer hyperbolic metamaterials: strengths and limitations / O. Kidwai, S. V. Zhukovsky, J. E. Sipe // Phys. Rev A. – 2012. – Vol. 85, № 5. – P. 053842. https://doi.org/10.1103/physreva.85.053842Kidwai O., Zhukovsky S. V., Sipe J. E. Effective-medium approach to planar multilayer hyperbolic metamaterials: strengths and limitations. Physical Review A, 2012, vol. 85, no. 5, p. 053842. https://doi.org/10.1103/physreva.85.053842Shekhar, P. Hyperbolic metamaterials: fundamentals and applications / P. Shekhar, J. Atkinson, Z. Jacob // Nano Convergence. – 2014. – Vol. 1, № 1. – P. 14. https://doi.org/10.1186/s40580-014-0014-6Shekhar P., Atkinson J., Jacob Z. Hyperbolic metamaterials: fundamentals and applications. Nano Convergence, 2014, vol. 1, no. 1, p. 14. https://doi.org/10.1186/s40580-014-0014-6Quantum nanophotonics using hyperbolic metamaterials / C. L. Cortes, W. Newman, S. Molesky, Z. Jacob // J. Opt. – 2012. – Vol. 14, № 6. – P. 063001. https://doi.org/10.1088/2040-8978/14/6/063001Cortes C. L., Newman W., Molesky S. Jacob Z. Quantum nanophotonics using hyperbolic metamaterials. Journal of Optics, 2012, vol. 14, no. 6, p. 063001. https://doi.org/10.1088/2040-8978/14/6/063001Near-Field Optics and Surface Plasmon Polaritons / S. Kawata [ed.]. – Springer, 2001. – 214 p. https://doi.org/10.1007/3-540-44552-8Kawata S. (ed.).Near-Field Optics and Surface Plasmon Polaritons. Springer, 2001. 214 p. https://doi.org/10.1007/3-540-44552-8Gramotnev, D. K. Plasmonics beyond the diffraction limit / D. K. Gramotnev, S. I. Bozhevolnyi // Nature Photon. – 2010. – Vol. 4, № 2. – P. 83–91. https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.282Gramotnev D. K., Bozhevolnyi S. I. Plasmonics beyond the diffraction limit. Nature Photonics, 2010, vol. 4, no. 2, pp. 83–91. https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.282Han, Z. Radiation guiding with surface plasmon-polaritons / Z. Han, S. I. Bozhevolnyi // Rep. Prog. Phys. – 2013. – Vol. 76, № 1. – P. 016402. https://doi.org/10.1088/0034-4885/76/1/016402Han Z., Bozhevolnyi S. I. Radiation guiding with surface plasmon-polaritons. Reports on Progress in Physics, 2013, vol. 76, no. 1, p. 016402. https://doi.org/10.1088/0034-4885/76/1/016402Dyakonovs in hyperbolic metamaterials / C. J. Zapata-Rodríguez [et al.] // Phot. Lett. Poland. – 2013. – Vol. 5, № 2. – P. 63–65. https://doi.org/10.4302/plp.2013.2.10Zapata-Rodríguez C. J., Miret J. J., Vuković S., Jakšić Z. Dyakonovs in hyperbolic metamaterials. Photonics Letters of Poland, 2013, vol. 5, no. 2, pp. 63–65. https://doi.org/10.4302/plp.2013.2.10Дьяконов, М. И. Новый тип электромагнитных волн, распространяющихся на поверхности / М. И. Дьяконов // ЖЭТФ. – 1988. – Т. 67. – С. 714–716.D’yakonov M. I. New type of electromagnetic waves propagating at an interface. Zhurnal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki = Journal of Experimental and Theoretical Physics, 1988, vol. 67, pp.714–716 (in Russian).Федоров, Ф. И. Теория гиротропии / Ф. И. Федоров. – Минск: Наука и техника, 1976. – 456 с.Fedorov F. I. Theory of Gyrotropy. Minsk, Nauka i tehnika Publ., 1976. 456 p. (in Russian).Федоров, Ф. И. Особый случай неоднородных электромагнитных волн в прозрачных кристаллах / Ф. И. Федоров, Н. С. Петров // Оптика и спектроскопия. – 1963. – Т. 14. – С. 256–260.Fedorov F. I., Petrov N. S. Special case of inhomogeneous electromagnetic waves in transparent crystals. Optika i spektroskopiya = Optics and Spectroscopy, 1963, vol. 14, pp. 256–260 (in Russian).Features of hyperbolic metamaterials with extremal optical characteristics / S. N. Kurilkina [et al.] // J. Opt. – 2016. – Vol. 18, № 8. – P. 085102. https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/8/085102Kurilkina S. N., Binhussain M. A., Belyi V. N., Kazak N. S. Features of hyperbolic metamaterials with extremal optical characteristics. Journal of Optics, 2016, vol. 18, no. 8, p. 085102. https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/8/085102

The authors declare that there are no conflicts of interest present.