Поверхностные волны Дьяконова

Поверхностные волны Дьяконова (DSW — Dyakonov surface wave) — это поверхностные электромагнитные волны, которые распространяются по границе раздела между изотропной и одноосной двулучепреломляющей средой. Теоретически они были предсказаны в 1988 году российским физиком Михаилом Дьяконовым^[1]. В отличие от других типов акустических и электромагнитных поверхностных волн, существование DSW связано с различием в симметрии материалов, образующих поверхность раздела. Он рассмотрел границу раздела между изотропной передающей средой и анизотропным одноосным кристаллом и показал, что при определенных условиях должны существовать волны, локализованные на границе раздела. Позже было предсказано, что аналогичные волны существуют на границе двух одинаковых одноосных кристаллов с разной ориентацией . ^[2] Ранее известные электромагнитные поверхностные волны, поверхностные плазмоны и поверхностные плазмон-поляритоны существуют при условии, что диэлектрическая проницаемость одного из материалов, образующих границу раздела, отрицательна, а другого - положительна (например, это имеет место для воздуха / металлический интерфейс ниже плазменной частоты ). Напротив, DSW может распространяться, когда оба материала прозрачны; следовательно, они практически не имеют потерь, что является самым примечательным их свойством.

В последние годы значение и потенциал DSW привлекли внимание многих исследователей: изменение основных свойств одного или обоих из двух материалов-партнеров - например, из-за инфильтрации каким-либо химическим или биологическим агентом - может быть ощутимым. изменить характеристики волны. Следовательно, предусмотрены многочисленные потенциальные применения, включая устройства для интегрированной оптики, химического и биологического зондирования поверхности и т. д^[3]. Однако нелегко удовлетворить необходимые условия для DSW, и из-за этого о первом экспериментальном доказательстве принципа наблюдения DSW^[4] было сообщено только через 20 лет после первоначального предсказания.

Появилось большое количество теоретических работ, посвященных различным аспектам этого явления, см. Подробный обзор^[5]. В частности, изучалось распространение DSW на магнитных границах раздела^[6] в левовращающих материалах^[7] в электрооптических^[8][9] и хиральных^[10] материалах. Было предсказано резонансное пропускание из-за DSW в структурах с использованием призм^[11], а также изучена и наблюдалась комбинация и взаимодействие между DSW и поверхностными плазмонами (плазмонами Дьяконова)^{[12][13][14][15][16]}.

Физические свойства

Простейшая конфигурация, рассмотренная в [5]. 1 состоит из границы раздела между изотропным материалом с диэлектрической проницаемостью ε и одноосным кристаллом с диэлектрической проницаемостью ε₀ и ε_e для обыкновенной и необыкновенной волн соответственно. Ось кристалла C параллельна границе раздела. Для этой конфигурации DSW может распространяться вдоль границы раздела в определенных угловых интервалах относительно оси C при условии, что выполняется условие ε_e > ε > ε₀ . Таким образом, DSW поддерживаются интерфейсами только с кристаллами с положительным двойным лучепреломлением ( ε_e > ε₀ ). Угловой интервал определяется параметром

${\displaystyle \eta ={\frac {\epsilon _{e}}{\epsilon _{0}}}-1}$ .

Угловые интервалы для фазы DSW и групповой скорости ( Δθ_ph и Δθ_gr ) различны. Интервал фазовых скоростей пропорционален η² и даже для наиболее сильно двулучепреломляющих природных кристаллов очень узкий Δθ_ph ≈ 1° (рутил) и Δθ_ph ≈ 4° (каломель)^[17]..Однако физически более важный интервал групповой скорости существенно больше (пропорционален η ). Расчеты дают Δθ_gr ≈ 7° для рутила и Δθ_gr ≈ 20° для каломели.

Перспективы

Широко распространенное экспериментальное исследование материальных систем DSW и развитие связанных с ними практических устройств в значительной степени ограничено строгими условиями анизотропии, необходимыми для успешного распространения DSW, особенно высокой степенью двойного лучепреломления по крайней мере одного из составляющих материалов и ограниченным количеством естественно доступных материалы, соответствующие этому требованию. Однако это скоро изменится в свете новых искусственно созданных метаматериалов^[18] и революционных методов синтеза материалов.

Чрезвычайная чувствительность DSW к анизотропии и, следовательно, к стрессу, наряду с их характеристиками с малыми потерями (дальность действия), делают их особенно привлекательными для обеспечения высокой чувствительности тактильного и ультразвукового зондирования для технологий высокоскоростного преобразования и считывания следующего поколения. . Более того, уникальная направленность DSW может использоваться для управления оптическими сигналами^[19].

См. также

• Волна Дьяконова-Фойгта
• Поверхностная волна
• Leaky Surface Plasmon Polariton Modes at an Interface Between Metal and Uniaxially Anisotropic Materials^[20]