Non-local effects on surface plasmon theory and their novel applications: Nano-scale plasmonic structures

Abstract

Bu çalışmada, yüzey plazmon teorisini Bloch hidrodinamik modeli ile inceledik ve yüksek frekansta, özellikle de plazma frekansı civarında yerel olmayan teorilerin, bağımsız elektron teorilerine göre daha avantajlı olduğunu göstermek için Bloch modeli ile bulunan sonuçları Drude modeli ile bulunanlar ile karşılaştırdık. Daha sonra bu modelin, ışığın metal tabakasına yerleştirilmiş dalgaboyu altında olan aralıktan aktarılmasını nasıl etkilediğini gösterdik. Metallerin dielektrik sabitlerini Bloch modeli ile elde ederek, alan ve alanın çarptığı materyalin arasındaki ilişkiyi değerlendirmiş olduk. Bloch ve Drude modellerinden elde edilen dielektrik sabiti sonuçlarındaki farkları rapor ettik ve bu farkların yüzey plazmonunun uyarılmasını ve saçılım ilişkisini nasıl etkilediğini nitel ve nicel olarak gösterdik. Metal tabakasına yerleştirilmiş olan aralığın efektif kırılma indisini Bloch hidrodinamik modelini kullanarak tekrar hesapladık ve sonuçları Drude modeli ile karşılaştırdık. Daha sonra, yerel olmayan teorilerin bağımsız elektron modellerine göre dalgaboyu altındaki deliklerin iletim davranışlarını daha gerçekçi öngördüğünü göstermek için dielektrik tepkisi Drude ve Bloch modelleriyle modellenmiş olan metal tabakanın içine yerleştirilmiş nano deliklerden ışığın aktarımını yeniden hesapladık ve Bloch modelinin ışığın nano deliklerden aktarımına nasıl katkı sağladığını gösterdik. Bloch modeli, model tarafından tanımlanmış olan materyal parametrelerini kullanılarak nano deliklerin aktarım davranışlarını kontrol edebilme avantajını sağlar. Bu avantaj, ışığın şekillendirilmesi ve bükülmesinde kullanılan nano devre elemanlarının tasarımında kullanıldı. Bloch modeli tarafından belirlenen materyal parametrelerini kullanarak odaklama ve saptırma mekanizmalarını nasıl kontrol ettiğimizi gösterdik.

In this study, we have explored the surface plasmon theory with Bloch hydrodynamic model and compared the results with Drude model to point out the advantage of the non-local models over free electron models at higher frequencies, especially around the plasma frequency. We have then shown how this model affects the extraordinary transmission of light through a single subwavelength slit embedded in a metal layer. By obtaining the dielectric constant of the metals with Bloch model, we consider the interrelated effects between the field and the material which the field impinges on. We have reported the differences between Bloch and Drude models in the permittivity of the metal medium and we have shown how these differences affect the surface plasmon excitation and dispersion relation for a two-layered medium of dielectric-metal qualitatively and quantitatively. We have recalculated the effective refractive index of the slit embedded in a metal layer with Bloch's hydrodynamic model and shown the differences with Drude model. We have then determined the transmission of light through metallic nano-apertures in a metal layer whose dielectric response modeled by Drude and Bloch models to show how non-local models predict the transmittance behavior of subwavelength apertures more realistically than free-electron models and we have shown how Bloch model contributes in controlling light transmission through nano-slits. Bloch model gives the advantage that, we can control the transmittance behavior of nano-apertures by changing the material parameters defined by Bloch model. This advantage has been used to design new nano-circuit elements for beam shaping and tilting using subwavelength systems. We have shown how we control the focusing and deflecting mechanisms by changing the material characteristics modeled by Bloch's hydrodynamic model.