Estudio numérico de fenómenos de resonancia plasmónica superficial en medios doblemente negativos

Abstract

Un plasmón superficial es una onda electromagnética que involucra la oscilación colectiva de electrones libres en un metal. Este tipo de ondas puede excitarse en la interfaz entre dos medios con permitividades de signo opuesto, como es el caso de la interfaz entre un metal y un dieléctrico a frecuencias ópticas. En las últimas décadas, la aparición de los metamateriales y, más concretamente, de los medios doblemente negativos (DNG), caracterizados por presentar no sólo una permitividad sino también una permeabilidad negativas, ha dado lugar a la posibilidad de excitar este tipo de ondas en otros rangos de frecuencia. Además, a diferencia de lo que ocurre con los metales, los medios DNG permiten la formación de los plasmones superficiales tanto para campos electromagnéticos con polarización transversal eléctrica o magnética. En este trabajo se ha analizado la posibilidad de excitar una resonancia plasmónica superficial en la interfaz entre vacío y distintos tipos de metamateriales en ámbito guiado. Las estructuras estudiadas se componen de diferentes medios dispuestos sucesivamente en el interior de la guía rectangular, y están principalmente compuestas de interfaces vacío-DNG, aunque también se han estudiado con metamateriales épsilon-negativos y mu-negativos. Se ha comprobado que la condición de excitación de la resonancia de los plasmones se corresponde con la condición de transmisión total o “perfect tunneling”, mediante el mismo mecanismo de “amplificación” de los modos evanescentes. Estos problemas se han estudiado teórica y numéricamente empleando el simulador electromagnético CST, lo que ha permitido analizar y visualizar la respuesta de las ondas electromagnéticas a estas estructuras en el interior de una guía de onda rectangular.

Surface plasmons are electromagnetic waves involving collective oscillation of free electrons in metals. This kind of waves can be excited on the interface between two media with opposite signed permittivities, such as in the case of metals and dielectrics at optical frequencies. In the last decades, metamaterials and specifically doublenegative media (DNG), which are artificial materials characterized by having a negative permittivity and permeability, have had a great development. These media have opened the possibility for this kind of waves to be excited at other ranges of frequencies. Furthermore, unlike what happens with metals, DNG media allow the formation of surface plasmons for both electric and magnetic transverse polarization of electromagnetic fields. In this work, the possibility of exciting surface plasmon resonance between vacuum and different kinds of metamaterials has been analyzed in a waveguide environment. The structures under study are composed of an array of different media filling the rectangular waveguide. They are mainly composed of vacuum-DNG interfaces, although epsilon-negative and munegative metamaterials have also been considered. It has been found that the plasmon resonance excitation condition corresponds to the perfect tunneling condition, by means of the same amplification of evanescent modes mechanism. These phenomena have been theoretically and numerically studied by using the electromagnetic simulator CST, which has allowed us to analyze and visualize the electromagnetic waves response in a waveguide environment.