Резонансное отражение плоских СВЧ электромагнитных волн линейной структурой из диэлектрических колец

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.

1. Vendik I. B., Vendik O. G. Metamaterials and their application in ultrahigh frequency engineering (review) / Tech. Phys. 2013. Vol. 58. P. 1. DOI: 10.1134/S1063784213010234

2. Veselago 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.1201

3. Zhao 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: 10.1063/1.2841811

4. Volpyan 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: 10.1088/1742-6596/1396/1/012044

5. Volpyan 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: 10.1088/1742-6596/1281/1/012090

6. Bulatov 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/S1027451019020046

7. Pozar D. M. Microwave Engineering. — Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2012.

8. Jahani S., Jacob Z. All — dielectric metamaterials / Nat. Nanotechnol. 2016. N 11. P. 23 – 36. DOI: 10.1038/nnano.2015.304

9. 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.

10. 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.23.12.000035

11. Kuznetsov A. I., Miroshnichenko A. E., Brongersma M. L., et al. Optically resonant dielectric nanostructures / Science. 2016. Vol. 354. P. 2472. DOI: 10.1126/science.aag2472

12. Jelinek L., Marques R. Artificial magnetism and left-handed media from dielectric rings and rods / J. Phys. Condens. Matter. 2010. Vol. 22. P. 025902. DOI: 10.1088/0953-8984/22/2/025902

13. Shvartsburg 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/s41598-017-02310-1

14. Staude 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/nn402736f

15. Kapitanova 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/s41598-017-00724-5

16. Terekhov 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: 10.1063/1.5094162

17. Geffrin 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/ncomms2167

18. Yang 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/ncomms6753

19. Kuznetsov A. I., Miroshnichenko A. E., Fu Y. H., et al. Magnetic light / Sci. Rep. 2012. Vol. 2. P. 57. DOI: 10.1038/srep00492

20. Krasnok 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.0561

21. Paniagua-Dominguez R., Lukyanchuk B., Kuznetsov A. Control of scattering by isolated dielectric nanoantennas. — UK: Woodhead Publishing. 2020. P. 73 – 108.

22. 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/ncomms10362

23. Miroshnichenko 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/ncomms9069

24. Lukyanchuk 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.2016.0069

25. Baryshnikova 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.201801350

26. Tittl 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.aas9768

27. Liberal 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.1.044002

28. Shvartsburg 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/aae1eb

29. Shvartsburg 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.2017.03.038139

30. Shvartsburg 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/abc280

31. Shvartsburg 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