zldmЗаводская лаборатория. Диагностика материаловIndustrial laboratory. Diagnostics of materials1028-68612588-0187ООО «Издательство «ТЕСТ-ЗЛ»10.26896/1028-6861-2022-88-2-49-53zldm-1600Research ArticleФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КОНТРОЛЯPHYSICAL METHODS OF RESEARCH AND MONITORINGРезонансное отражение плоских СВЧ электромагнитных волн линейной структурой из диэлектрических колецResonant reflection of plane microwave electromagnetic waves by the linear dielectric-ring structuresВасилякЛ. М.VasilyakL. M.

Леонид Михайлович Василяк

125412, Москва, ул. Ижорская, д. 13, с. 2

Leonid M. Vasilyak

13, ul. Izhorskaya, Moscow, 125412

ВольпянО. Д.VolpyanO. D.

Олег Дмитриевич Вольпян

115191, Москва, ул. М. Тульская, д. 45а, к. 6

Oleg D. Volpyan

45a, ul. M. Tulskaya, Moscow, 115191

КузьмичёвА. И.KuzmichevA. I.

Анатолий Иванович Кузьмичёв

03056, г. Киев, пр-т Победы, д. 37, к. 1

Anatoly I. Kuzmichev

37, pr. Pobedy, Kiev, 03056

ОбодЮ. А.ObodYu. A.

Юрий Александрович Обод

117342, Москва, ул. Бутлерова, д. 15

Yury A. Obod

15, ul. Butlerova, Moscow, 117342

ПечеркинВ. Я.PecherkinV. Ya.

Владимир Яковлевич Печеркин

125412, Москва, ул. Ижорская, д. 13, с. 2

Vladimir Ya. Pecherkin

13, ul. Izhorskaya, Moscow, 125412

vpecherkin@yandex.ruПриваловП. А.PrivalovP. A.

Петр Андреевич Привалов

125412, Москва, ул. Ижорская, д. 13, с. 2

Petr A. Privalov

13, ul. Izhorskaya, Moscow, 125412

Объединенный институт высоких температур РАНРоссияJoint Institute for High Temperatures, RASRussian FederationНПК «Фотрон-Авто»РоссияScientific-Manufacturing Enterprise «Fotron-Auto»Russian FederationКиевский политехнический институт имени И. СикорскогоУкраинаI. Sikorsky Kiev Polytechnic InstituteUkraineНТЦ уникального приборостроения РАНРоссияScientific and Technological Center of Unique Instrumentation, RASRussian Federation2022220220228824953Copyright © Василяк Л.М., Вольпян О.Д., Кузьмичёв А.И., Обод Ю.А., Печеркин В.Я., Привалов П.А., 20222022Василяк Л.М., Вольпян О.Д., Кузьмичёв А.И., Обод Ю.А., Печеркин В.Я., Привалов П.А.Vasilyak L.M., Volpyan O.D., Kuzmichev A.I., Obod Y.A., Pecherkin V.Y., Privalov P.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zldm.ru/jour/article/view/1600

Искусственные материалы с отрицательной магнитной и диэлектрической проницаемостями обладают уникальными электродинамическими свойствами, отсутствующими у природных материалов. В работе представлены результаты исследования основного магнитного LC-резонанса, индуцированного плоской электромагнитной волной гигагерцевого диапазона в линейных структурах субволновых диэлектрических кольцевых элементов с высокой относительной диэлектрической проницаемостью. Диэлектрическая проницаемость материала колец (конденсаторная керамика) составляла 160. Исследовали резонансное рассеяние на основной магнитной моде и волновые свойства линейных структур, состоящих из субволновых диэлектрических элементов в виде плоских тонких колец. Одиночное кольцо или структуры из колец располагали таким образом, чтобы векторы электрического и магнитного полей плоской падающей электромагнитной волны были параллельны плоскости кольца, а волновой вектор — перпендикулярен. Линейные структуры из двух или трех колец ориентировали вдоль магнитного вектора падающей волны. Зонд магнитного поля помещали на линии оси симметрии кольца и структур относительно волнового вектора у дальней относительно антенны стороны структур. Измерены спектры прошедшего излучения при резонансном возбуждении магнитных полей в системе диэлектрических колец в ближней (расстояние — 2 мм) и дальней (расстояние — 30 мм) зонах от кольца. Выявлено, что в ближней волновой зоне имеет место расщепление резонансной частоты вследствие взаимной индуктивности и взаимодействия колец. При увеличении числа колец количество дополнительных пиков растет. Кроме того, между расщепленными уровнями возникает полоса пропускания шириной ~200 МГц с амплитудой на 25 дБ больше амплитуды падающей электромагнитной волны в указанном спектре. В дальней зоне прошедшее излучение на резонансной частоте для одного кольца практически не меняется вследствие расщепления этой резонансной частоты из-за взаимодействия колец в структуре. Полученные результаты могут быть использованы при разработке новых материалов.

Artificial materials with negative magnetic and dielectric permittivity have unique electrodynamic properties that are not present in natural materials. We present the results of studying of the main magnetic LC resonance induced by a plane electromagnetic wave of GHz range in the linear structures of subwavelength dielectric ring elements with a high relative permittivity. The dielectric constant of the ring material (capacitor ceramics) is 160. Resonant scattering on the main magnetic mode and wave properties of linear structures consisting of subwavelength dielectric elements in the form of flat thin rings were studied. A single ring or ring structures were arranged in such a way that the vectors of the electric and magnetic fields of a plane incident electromagnetic wave were parallel to the plane of the ring, whereas the wave vector was perpendicular to the plane of the ring. Linear structures consisting of two or three rings were oriented along the magnetic vector of the incident wave. The magnetic field probe was placed on the line of the axis of symmetry of the ring and structures relative to the wave vector at the side of the structures most distant from the antenna. The spectra of transmitted radiation were measured during resonant excitation of magnetic fields in a system of dielectric rings in the near (distance — 2 mm) and remote (distance — 30 mm) zones from the ring. It is shown that in the near wave zone, splitting of the resonant frequency occurs due to mutual inductance and interaction of the rings. As the number of rings increases, the number of additional peaks also increases. A bandwidth of ~200 MHz with an amplitude 25 dB greater than the amplitude of the incident electromagnetic wave in the specified spectrum appears between the split levels. In the far zone, the transmitted radiation at the resonance frequency for a single ring practically does not change due to the splitting of this resonance frequency due to the interaction of the rings in the structure. The results obtained can be used in the development of new materials.

метаматериалдиэлектрический магнитный дипольотрицательный магнитный откликдиэлектрическое кольцодиэлектрическая структураплоская электромагнитная волнарезонансmetamaterialdielectric magnetic dipolenegative magnetic responsedielectric ringdielectric structureplane electromagnetic waveresonanceReferencesVendik I. B., Vendik O. G. Metamaterials and their application in ultrahigh frequency engineering (review) / Tech. Phys. 2013. Vol. 58. P. 1. DOI: 10.1134/S1063784213010234Vendik I. B., Vendik O. G. Metamaterials and their application in ultrahigh frequency engineering (review) / Tech. Phys. 2013. Vol. 58. P. 1. DOI: 10.1134/S1063784213010234Veselago V. G. Waves in metamaterials: their role in modern physics / Phys. Usp. 2011. Vol. 54. N 11. P. 1161 – 1165. DOI: 10.3367/UFNe.0181.201111h.1201Veselago V. G. Waves in metamaterials: their role in modern physics / Phys. Usp. 2011. Vol. 54. N 11. P. 1161 – 1165. DOI: 10.3367/UFNe.0181.201111h.1201Zhao Qian, Bo Du, Lei Kang, et al. Tunable Negative Permeability in an Isotropic Dielectric Composite / Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 92. N 5. P. 051106. DOI: 10.1063/1.2841811Zhao Qian, Bo Du, Lei Kang, et al. Tunable Negative Permeability in an Isotropic Dielectric Composite / Appl. Phys. Lett. 2008. Vol. 92. N 5. P. 051106. DOI: 10.1063/1.2841811Volpyan O. D., Krikunov A. I., Kuzmichev A. I., et al. Magnetron Sputtering System with Reactive Plasma Assisting for Deposition of TixZr1 – xO2 Coating Resistant to Laser Radiation / J. Phys. Conf. Ser. 2019. Vol. 1396. P. 012044. DOI: 10.1088/1742-6596/1396/1/012044Volpyan O. D., Krikunov A. I., Kuzmichev A. I., et al. Magnetron Sputtering System with Reactive Plasma Assisting for Deposition of TixZr1 – xO2 Coating Resistant to Laser Radiation / J. Phys. Conf. Ser. 2019. Vol. 1396. P. 012044. DOI: 10.1088/1742-6596/1396/1/012044Volpyan O. D., Kuzmichev A. I., Churikov D. V. Ion-Vacuum Technology for Manufacturing Elements for Nanogradient Optics and Metamaterials / J. Phys. Conf. Ser. 2019. Vol. 1281. P. 012090. DOI: 10.1088/1742-6596/1281/1/012090Volpyan O. D., Kuzmichev A. I., Churikov D. V. Ion-Vacuum Technology for Manufacturing Elements for Nanogradient Optics and Metamaterials / J. Phys. Conf. Ser. 2019. Vol. 1281. P. 012090. DOI: 10.1088/1742-6596/1281/1/012090Bulatov M. F., Churikov D. V. On the Formation of Microheterogeneities in Epitaxial Films of Nonstoichiometric Ferrogarnets / J. Surface Investigation. 2019. Vol. 13. N 2. P. 206 – 209. DOI: 10.1134/S1027451019020046Bulatov M. F., Churikov D. V. On the Formation of Microheterogeneities in Epitaxial Films of Nonstoichiometric Ferrogarnets / J. Surface Investigation. 2019. Vol. 13. N 2. P. 206 – 209. DOI: 10.1134/S1027451019020046Pozar D. M. Microwave Engineering. — Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2012.Pozar D. M. Microwave Engineering. — Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2012.Jahani S., Jacob Z. All — dielectric metamaterials / Nat. Nanotechnol. 2016. N 11. P. 23 – 36. DOI: 10.1038/nnano.2015.304Jahani S., Jacob Z. All — dielectric metamaterials / Nat. Nanotechnol. 2016. N 11. P. 23 – 36. DOI: 10.1038/nnano.2015.304Verplanken M., Van-Bladel J. The electric dipole resonances of ring resonators of very high permittivity / IEEE Trans. Microwave Theory Technol. 1976. N 24. P. 108 – 112.Verplanken M., Van-Bladel J. The electric dipole resonances of ring resonators of very high permittivity / IEEE Trans. Microwave Theory Technol. 1976. N 24. P. 108 – 112.Miroshnichenko A., Kuznetsov A., Wei L., et al. Magnetic Light: Optical magnetism of dielectric nanoparticles / Optics Photonics News. 2012. Vol. 23. N 12. P. 35. DOI: 10.1364/opn.23.12.000035Miroshnichenko A., Kuznetsov A., Wei L., et al. Magnetic Light: Optical magnetism of dielectric nanoparticles / Optics Photonics News. 2012. Vol. 23. N 12. P. 35. DOI: 10.1364/opn.23.12.000035Kuznetsov A. I., Miroshnichenko A. E., Brongersma M. L., et al. Optically resonant dielectric nanostructures / Science. 2016. Vol. 354. P. 2472. DOI: 10.1126/science.aag2472Kuznetsov A. I., Miroshnichenko A. E., Brongersma M. L., et al. Optically resonant dielectric nanostructures / Science. 2016. Vol. 354. P. 2472. DOI: 10.1126/science.aag2472Jelinek L., Marques R. Artificial magnetism and left-handed media from dielectric rings and rods / J. Phys. Condens. Matter. 2010. Vol. 22. P. 025902. DOI: 10.1088/0953-8984/22/2/025902Jelinek L., Marques R. Artificial magnetism and left-handed media from dielectric rings and rods / J. Phys. Condens. Matter. 2010. Vol. 22. P. 025902. DOI: 10.1088/0953-8984/22/2/025902Shvartsburg A. B., Pecherkin V. Ya., Vasilyak L. M., et al. Resonant microwave fields and negative magnetic response induced by displacement currents in dielectric rings: theory and the first experiments / Sci. Rep. 2017. Vol. 7. P. 2180. DOI: 10.1038/s41598-017-02310-1Shvartsburg A. B., Pecherkin V. Ya., Vasilyak L. M., et al. Resonant microwave fields and negative magnetic response induced by displacement currents in dielectric rings: theory and the first experiments / Sci. Rep. 2017. Vol. 7. P. 2180. DOI: 10.1038/s41598-017-02310-1Staude I., Miroshnichenko A., Decker M., et al. Tailoring directional scattering through magnetic and electric resonances in sub wavelength silicon nanodiscs / ACS Nano. 2013. Vol. 7. P. 7824 – 7832. DOI: 10.1021/nn402736fStaude I., Miroshnichenko A., Decker M., et al. Tailoring directional scattering through magnetic and electric resonances in sub wavelength silicon nanodiscs / ACS Nano. 2013. Vol. 7. P. 7824 – 7832. DOI: 10.1021/nn402736fKapitanova P., Ternovsky V., Miroshnichenko A., et al. Giant field enhancement in high-index dielectric sub wavelength particles / Sci. Rep. 2017. Vol. 7. N 1. P. 731. DOI: 10.1038/s41598-017-00724-5Kapitanova P., Ternovsky V., Miroshnichenko A., et al. Giant field enhancement in high-index dielectric sub wavelength particles / Sci. Rep. 2017. Vol. 7. N 1. P. 731. DOI: 10.1038/s41598-017-00724-5Terekhov P. D., Evlyukhin A. B., Shalin A. S., et al. Polarization-dependent asymmetric light scattering by silicon nanopyramids and their multipoles resonances / J. Appl. Phys. 2019. Vol. 125. N 17. P. 173108. DOI: 10.1063/1.5094162Terekhov P. D., Evlyukhin A. B., Shalin A. S., et al. Polarization-dependent asymmetric light scattering by silicon nanopyramids and their multipoles resonances / J. Appl. Phys. 2019. Vol. 125. N 17. P. 173108. DOI: 10.1063/1.5094162Geffrin J., García-Cámara B., Gómez-Medina R., et al. Magnetic and electric coherence in forward-and back-scattered electromagnetic waves by a single dielectric subwavelength sphere / Nat. Commun. 2012. Vol. 3. P. 1171. DOI: 10.1038/ncomms2167Geffrin J., García-Cámara B., Gómez-Medina R., et al. Magnetic and electric coherence in forward-and back-scattered electromagnetic waves by a single dielectric subwavelength sphere / Nat. Commun. 2012. Vol. 3. P. 1171. DOI: 10.1038/ncomms2167Yang Y., Kravchenko I., Briggs D., Valentine J. All-dielectric metasurface analogue of electromagnetically induced transparency / Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 5753. DOI: 10.1038/ncomms6753Yang Y., Kravchenko I., Briggs D., Valentine J. All-dielectric metasurface analogue of electromagnetically induced transparency / Nat. Commun. 2014. Vol. 5. P. 5753. DOI: 10.1038/ncomms6753Kuznetsov A. I., Miroshnichenko A. E., Fu Y. H., et al. Magnetic light / Sci. Rep. 2012. Vol. 2. P. 57. DOI: 10.1038/srep00492Kuznetsov A. I., Miroshnichenko A. E., Fu Y. H., et al. Magnetic light / Sci. Rep. 2012. Vol. 2. P. 57. DOI: 10.1038/srep00492Krasnok A. E., Maksymov I. S., Denisyuk A. I., et al. Optical nanoantennas / Phys. Usp. 2013. Vol. 56. N 6. P. 539 – 564. DOI: 10.3367/UFNe.0183.201306a.0561Krasnok A. E., Maksymov I. S., Denisyuk A. I., et al. Optical nanoantennas / Phys. Usp. 2013. Vol. 56. N 6. P. 539 – 564. DOI: 10.3367/UFNe.0183.201306a.0561Paniagua-Dominguez R., Lukyanchuk B., Kuznetsov A. Control of scattering by isolated dielectric nanoantennas. — UK: Woodhead Publishing. 2020. P. 73 – 108.Paniagua-Dominguez R., Lukyanchuk B., Kuznetsov A. Control of scattering by isolated dielectric nanoantennas. — UK: Woodhead Publishing. 2020. P. 73 – 108.Paniagua-Dominguez R., Yu Y., Miroshnichenko A., et al. Generalized Brewster effect in dielectric metasurfaces / Nat. Comm. 2016. Vol. 7. P. 10362. DOI: 10.1038/ncomms10362Paniagua-Dominguez R., Yu Y., Miroshnichenko A., et al. Generalized Brewster effect in dielectric metasurfaces / Nat. Comm. 2016. Vol. 7. P. 10362. DOI: 10.1038/ncomms10362Miroshnichenko A. E., Evlyukhin A. B., Yu Y. F., et al. Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles / Nat. Comm. 2015. Vol. 6. P. 8069. DOI: 10.1038/ncomms9069Miroshnichenko A. E., Evlyukhin A. B., Yu Y. F., et al. Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles / Nat. Comm. 2015. Vol. 6. P. 8069. DOI: 10.1038/ncomms9069Lukyanchuk B., Paniagua-Domínguez R., Kuznetsov A., et al. Suppression of scattering for small dielectric particles: anapole mode and invisibility / Phil. Trans. Roy. Soc. A. 2017. Vol. 375. P. 20160069. DOI: 10.1098/rsta.2016.0069Lukyanchuk B., Paniagua-Domínguez R., Kuznetsov A., et al. Suppression of scattering for small dielectric particles: anapole mode and invisibility / Phil. Trans. Roy. Soc. A. 2017. Vol. 375. P. 20160069. DOI: 10.1098/rsta.2016.0069Baryshnikova K. V., Smirnova D. A., Lukyanchuk B. S., Kivshar Y. S. Optical anapoles: Concepts and applications / Adv. Opt. Mater. 2019. Vol. 7. P. 1801350. DOI: 10.1002/adom.201801350Baryshnikova K. V., Smirnova D. A., Lukyanchuk B. S., Kivshar Y. S. Optical anapoles: Concepts and applications / Adv. Opt. Mater. 2019. Vol. 7. P. 1801350. DOI: 10.1002/adom.201801350Tittl A., Leitis A., Liu M., et al. Imaging-based molecular barcoding with pixelated dielectric metasurfaces / Science. 2018. Vol. 360. P. 1105 – 1109. DOI: 10.1126/science.aas9768Tittl A., Leitis A., Liu M., et al. Imaging-based molecular barcoding with pixelated dielectric metasurfaces / Science. 2018. Vol. 360. P. 1105 – 1109. DOI: 10.1126/science.aas9768Liberal I., Ederra I., Gonzalo R., Ziolkowski R. Induction Theorem Analysis of Resonant Nanoparticles: Design of a Huygens Source Nanoparticle Laser / Phys. Rev. Appl. 2014. Vol. 1. N 4. P. 044002. DOI: 10.1103/physrevapplied.1.044002Liberal I., Ederra I., Gonzalo R., Ziolkowski R. Induction Theorem Analysis of Resonant Nanoparticles: Design of a Huygens Source Nanoparticle Laser / Phys. Rev. Appl. 2014. Vol. 1. N 4. P. 044002. DOI: 10.1103/physrevapplied.1.044002Shvartsburg A., Pecherkin V., Jiménez S., et al. Sub wavelength dielectric elliptical element as an anisotropic magnetic dipole for inversions of magnetic field / J. Phys. D. Appl. Phys. 2018. Vol. 51. P. 475001. DOI: 10.1088/1361-6463/aae1ebShvartsburg A., Pecherkin V., Jiménez S., et al. Sub wavelength dielectric elliptical element as an anisotropic magnetic dipole for inversions of magnetic field / J. Phys. D. Appl. Phys. 2018. Vol. 51. P. 475001. DOI: 10.1088/1361-6463/aae1ebShvartsburg A. B., Pecherkin V. Ya., Vasilyak L. M., et al. Dielectric resonant magnetic dipoles: paradoxes, prospects and first experiments / Phys. Usp. 2018. Vol. 61. N 7. P. 698 – 706. DOI: 10.3367/UFNe.2017.03.038139Shvartsburg A. B., Pecherkin V. Ya., Vasilyak L. M., et al. Dielectric resonant magnetic dipoles: paradoxes, prospects and first experiments / Phys. Usp. 2018. Vol. 61. N 7. P. 698 – 706. DOI: 10.3367/UFNe.2017.03.038139Shvartsburg A., Pecherkin V., Jiménez S., Vasilyak L., Vázquez L., Vetchinin S. Resonant phenomena in an all-dielectric rectangular circuit induced by a plane microwave / J. Phys. D. Appl. Phys. 2021. Vol. 54. P. 075004. DOI: 10.1088/1361-6463/abc280Shvartsburg A., Pecherkin V., Jiménez S., Vasilyak L., Vázquez L., Vetchinin S. Resonant phenomena in an all-dielectric rectangular circuit induced by a plane microwave / J. Phys. D. Appl. Phys. 2021. Vol. 54. P. 075004. DOI: 10.1088/1361-6463/abc280Shvartsburg A. B., Vasilyak L. M., Vetchinin S. P., Alybin K. V., Volpyan O. D., Obod Yu. A., Pecherkin V. Ya., Privalov P. A., Churikov D. V. Resonance Scattering of GHz Plane Electromagnetic Waves from Ring Dielectric Linear Structures / Optics and Spectroscopy. 2021. Vol. 129. N 2. P. 252 – 255. DOI: 10.1134/S0030400X21020132Shvartsburg A. B., Vasilyak L. M., Vetchinin S. P., Alybin K. V., Volpyan O. D., Obod Yu. A., Pecherkin V. Ya., Privalov P. A., Churikov D. V. Resonance Scattering of GHz Plane Electromagnetic Waves from Ring Dielectric Linear Structures / Optics and Spectroscopy. 2021. Vol. 129. N 2. P. 252 – 255. DOI: 10.1134/S0030400X21020132

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