Электромагнитные процессы в среде, наноплазмоника и метаматериалы

В. А. АСТАПЕНКО 

ФИЗТЕХОВСКИЙ УЧЕБНИК

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ 
ПРОЦЕССЫ В СРЕДЕ,   
НАНОПЛАЗМОНИКА  
И МЕТАМАТЕРИАЛЫ

В.А. Астапенко
Электромагнитные процессы в среде, наноплазмоника и метаматериалы: Учебное пособие / В.А. Астапенко – Долгопрудный: Издательский Дом
«Интеллект», 2012. – 584 с.
ISBN 9785915591119

Книга посвящена изложению теории электромагнитных процессов в среде, включая
излучательные, столкновительные и столкновительноизлучательные явления в плазме, конденсированном веществе, на границах раздела сред и в метаматериалах. Приведены модели диэлектрической и магнитной восприимчивостей вещества, как в общем
случае, так и в применении к средам с отрицательным преломлением. В рамках последовательного подхода произведен переход от микроскопических уравнений Максвелла к макроскопическим с использованием детального описания динамической
поляризуемости атомов среды.
Рассмотрены как хорошо известные явления, так и ряд важных электромагнитных
процессов, не описывавшихся в традиционных курсах электродинамики сплошных
сред, но приобретших актуальность в контексте современного развития физики. К ним
относятся: поляризационное тормозное излучение в плазме, конденсированном веществе и наноструктурах, рассеяние ультракоротких импульсов в плазме, на атомах и наночастицах, ряд фотоиндуцированных процессов в твердом теле.
Анализируются основные характеристики и методы возбуждения поверхностных
плазмонов, как на плоских поверхностях, так и в наночастицах. Значительное внимание уделено средам с отрицательным преломлением и способам создания метаматериалов такого рода. В качестве примеров практического использования наноплазмоники
представлены работы по наноантеннам, поверхностноусиленной рамановской спектроскопии, спазерам, фотодетекторам и солнечным батареям.
Наряду с традиционными подходами рассматриваются малоизвестные модели и приближения, хорошо зарекомендовавшие себя в практическом использовании, такие как
вращательное приближение крамерсовой электродинамики, метод локальной плазменной частоты в описании излучательных процессов и приближение БорнаКомптона в
теории столкновительной ионизации атомов. В книге использованы современные экспериментальные данные.

Учебное пособие адресовано студентам старших курсов, аспирантам, преподавателям физических и инженернофизических факультетов, исследователям, разработчикам и научным работникам.

© 2012, Астапенко В.А.
© 2012, ООО Издательский Дом
«Интеллект», оригиналмакет,
оформление

ISBN 9785915591119

!"#$ %!&'(#)*+& ,)%".)%(#,$.)%"





&/*"*&'(#)*+& ,)%",&/*"*&'.)%(#,$.)%"-%# 01

&#&,&/* "2,&"),&#*)/)/&2&

(*).13(&#&,&/* "2,&4&/*"*&'.)%(#,$.)%"-0&,&/* "!).

%( #%',&/*"*)3(#)*+& ,)%".5 ##"&6


7#)0)-*&'!"#$ %!&'.)*&

89 
:;:



<=
>
??
79=
;

7>
9&2, **&'$&%")"&


@& .%!3#&04%


%)@&'

&%%$ %!&'.1#)A0 **&'(&2,&

" ( *-)*2&+

&2$*1 "(1(&2,1

7B
99#)0)-*&'0!"#$ %!&'(#)*+& ,)%"
 



)( # $*&'0!"#$ %!&'
(#)*+& ,)%"-(&2,1

77?C?9
789&%(# 0 *@A&3D /)%)% 0&


&%(# 0 *)-+,&#!&


8BB9%*).*1 6&#&!" #%"!%")!*)." -*16(#)+ %%).

(1%")!*)." -*16(#)+ %%).



89

?)#,4&2 #5)#0&:)#*).%!) (#@A *
(#4/) #&%% '*!"#)*).*&&"),&6
)*&6.*2!)" ,( #&"4#*)3(&2, 

879?)#,4&),%)*&

")054*!+()0)@'

#&.* *%!%( #, *"&-*1,0&**1,

889:;&%%$ %!) #&%%,)"# * ")054*!+()0)@'

)2@4A0 *0()-*)C2&(# E **16( # 6)0).



8F%)@ **)%"%"#) *',)!4

(#4/) #&%% '*%")!*)." -*&')*2&+'

)2@4A0 *0%%)+&+'
,)!4!"#)**1,40&#),



!"#!$

%%"#&"
'()!"#!$

%%"#&"
'()!"#!$



*+,"')
-!.)&!'/)%01*222334565
78+!,!



!"!"&!'/)




&!'/"#/*)+!%
&9,&!'/%!"#/


!)&,&&!'/!)&,)9,)

!).&!'/)

:27;3*3<2*2=

>2;?32?51*2!)&,&&!'/9"$&)8$/,"!&





3/&&!'/9"$&)8$/,"!&@2334<3;71*2
@023344 @:233449."8%!)/)))&!'/)!&2)&!'/)
!&+!

#%)&!'/)!&, k

pip

2)&!'/)!&

@>2334A2*2*5A32)'!-'!
2)'!-'!!&B2C21*2=?5 
n

n

r

n

r

Cтандартные
световоды
Cветоводы на основе
запрещенной зоны

Полное внутреннее
отражение

1 структура
(брэгговские световоды)
D

2Dструктура

00
0
0
1

00

k

k

/D
Im( )
k

0
0
/D
Im( )
k

0

1

0

Коэффициент
отражения
Плотность мод

1
2
3
4

–
–
–
–

–
– –

–
–

hv
e

–

–

мкА
В
U
<&)&+'%!&!Синхронизирующая
электроника

tto21
Интерферометр
Генератор
рчсигнала

Tiсапфировый лазер
Компрессор
импульса

EL

Опорный сигнал

Синхронизирующий
усилитель

Электронный усилитель

–3,5 кВ

Лазерный луч

Электронные
соединения
S t( )

R t( )

W

f

p

L

= 3
=
нДж
4 фс
= 24 МГц
повт

Параметры
выходного импульса

Фотонный
кристаллический
волновод

Клин из кварца

B:253?<1<<*;523*

B>257

'E2<1<<*23?5F25
27?55







E:3;34
;?32?53F327

 E>1*32A?3374
42433*5
1*227A?5D45

&#%&!'/)
/%&&&!'/!)#+!-%&А

4
1
2

3

5

д

o

+250 B

е–
ист.вт

е–
упр.отр

hh7
6

8

9

WD

'G42F2H
<7A?A?2F33

*,,)!)&,-&-&!'/)

Поляризационное ТИ

Обычное ТИ
ℏНалетающая
частица

Атом

5//"
!)&,-&-&!'/)

!-!)&,-&-&!'/)

/!%!)&,-&-&!'/)


1 !!%!)&,-&-&!'/)

G042F2*239."8%!)/)
&!'/!-,9!3' '"$#-!!G:42F2*23
G>42F22<327G42F2=2<3' '"$%'#-!!C
A
B
E

D

F

a0

e1
e

e2
e

3' '"$+!$)/$ -3/!)&,-&-&!'/)'-!%
--*--

*-3-3!"$!&!%&!/"#!&-&!'/)
)+!-!"#$




%"&'%( )*"$+'+$


,-.-+ ++
– ––
+ ++
– ––

Диэлектрик

Металл

z

x

Hy

E

+%()!$')"&!%$'/(%( /!"#%(%0$($'&!%$'/(%( /!"#%(%Свет
Свет

Призма

Воздушный зазор

Поверхностный
плазмон
Металл

Свет
Свет

Призма

Воздух
Поверхностный
плазмон

Металлическая пленка

а

б


$+1''%((&#$""$+&
!%$'/(%234%%(( 5+'""
)"&!%$'/(%( /!"#%(%
%$'/(%( $!"#%( ((%%!+$

1,0

1,5

2,0

2,5

–0,00250
0,00000
0,00250
0,00500
0,00750
|
|
x , нм
k
–1
k

Ag:
= 600
;
= 150
нм
нм
P
d
Еф, эВ

(1, 0) воздух

(1, 1) кварц

(1, 0) кварц

Примерный
объем наблюдений

Алюминий
250 нм

100—400 нм
Стекло

Возбуждение
люминесценции

ℏℏ6.78$%'&'$&(&!%9"%:$(&
"1$(&

 1,5
2,0
2,5
1,5
2,0
2,5
Энергия фотона, эВ

20 нм
40 нм

60 нм
80 нм

100 нм
150 нм






'+$+%$!%"2%($'$&(&
"1$(&(((%/

;8<77.=>?
8@ ,?08A.B>
R1
R2

6?==>?707@
-

$'%)$+5##$""$+/"()'%

#+%( 5##$""$+/!"(
"()'$+%54%'# 


;8@С
d

r

С

L

–50

–45

–40

–35

–30

–25

–554,7
4,8
4,9
5,0
5,1
5,2
5,3
5,4
5,5
Частота, ГГц

Пропускная способность, дБ

С
d

r

k

H

E

1000

100

10

1

0,1

0,01

2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
Годы

100 нм

1 мкм

10 мкм

100 мкм

1 мм

1 см

10 см

Частота, ТГц

Длина волны

20 нм

500 нм

200 нм

3 мм

C<>D



E>
!,=>7<"$($4%%%+$!"#%((%9%'$%((I

h Al

Al

nSi

p+Si

 Auпленка

Auнаностержни

Соединительная
прокладка

280 нм

30 нм

0,53 мм

Siподложка

А

Siподложка

Лазерный
диод
Линзы

Измеритель тока

Auпленка

Auнаностержни

1
0
50
1
0
00
20 0
0

0,5

0,0

1,0

Длина волны, нм

В ацетоне

50 нм

a
б

!%"2%($((%%"($( /*"$#$(/

Серебряные островки

Верхний оксид
30 нм

Внутренний оксид

Si — 1250 нм

Si
Si

a
б


,,1
2

Au

Ge

Диполь

у

х

Воздух

Оксид

Кремний
z
у

Воздух

Кремний
z
у

Оксид

Ge

Au

а

б

в

z
у

х

х

у

50/70

200/300
40/50

100/125

400/600

Толстая
кварцевая подложка

TEOS + Rh800

500 нм

500 нм
б

в

G2

G1

20
40
60
80

9

8

Щель, нм

а

г

10 фс
Титансапфировый
лазер

. . .

. . .

––
–

++
+

Е

Ar

M
W
CM1

CM2
CW

FL

VLSG
Вакуумная камера
Блок пучка
первого порядка

Наноструктуры

Аргоновое
сопло

124 нм

22 нм

РМ

Входящий
импульс
EUV

Входящий импульс

Усиленное
лазерное
поле

EUV


,6-F<%#$)(+$!'#$($(&GHIG

100 нм

а
б


Нанопроволока из Au—Ni

Массив золотых нанодисков

Литография
на проволоке

Функционализация

1

2

3

4

5

6

Или

Или

Маленькие молекулы МВ или МА
р

NDA на нанодиске

NDA целевая

NDA репортер с рамановским красителем

Золотая наночастичная проба

а

б

2 мкм

2 мкм

2D конфокальный
рамановский образ

3
конфокальный
рамановский образ
D

5 0
0
10 0
0
15 0
0
20 0
0
Рамановский сдвиг, см–1

478
1390 1619

в

20 нм

а
б

г
в

450
500
550
600
650
700

Длина волны, нм

Поглощение, ат. д.
e

487

495

516

A

u

N

Pп

ле

н

ка

A

u

NP

р

а

с

тв

о

р

250 нм

10 мкм

2 мкм
40 нм

150 мкм

Резервуары

Наноканал

2 мкм

60 мкм

Наноканал
Детектируемая
площадь

Микроканалы

Золотые
наночастицы

Целевая
молекула

Детектируемый
объем

2,2 мкм

0,2 мкм

40 нм

а

б
в

,;5.Е7
En

30

30

x
z

ℏn = 1,

= 12,
= 5 10

15 эВ

f
–3
n
n

a

7.Е7
En

30

30

x
z

ℏn = 1, 8

= 11,
= 3 10

1 эВ

f
–12
n
n

б

5.Е7
En

30

30

x
z

ℏn = 1,

= 5,7,
= 7 10

63 эВ

f
–14
n
n

в

1
8
.Е
En

30

30

x
z

ℏn = 1,

= 5,3,
= 1 10

56 эВ

f
–3
n
n

г

Квантовые наноточки

Серебряная
оболочка
10—20 нм

e hпары

Квантовая наноточка

Экситон
Плазмон

Нанооболочка

Передача энергии

а
б

Диэлектрическая
сердцевина

Пересечение полей

Ячейка с циркулирующим раствором красителя
(активная среда)

Пробный луч
633 нм

ВК7 призма с толстой
серебряной пленкой

Луч накачки
580 нм

1
2

3
0

p
e

'1J:5!$'

a
б

1

2
k

E
H

Массив
метаматериалов

Лазирующий
усиленный луч

Лазирующий
усиленный луч

Усиливающая
(активная) среда

Металлические
нанопроволоки