Магнитооптические явления в метаматериалах и периодические плазмонные структуры тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.11 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

ИВАНОВ АНДРЕЙ ВАЛЕРИЕВИЧ

МАГНИТООПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В МЕТАМАТЕРИАЛАХ И ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ПЛАЗМОННЫЕ СТРУКТУРЫ

специальность 01.04.11 - физика магнитных явлений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2012

1 5 НОЯ 2012

005055009

005055009

Работа выполнена на кафедре магнетизма Физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор

Ведяев Анатолий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

в.н.с.

Журавлев Михаил Евгеньевич

доктор физико-математический наук, профессор

Рудой Юрий Григорьевич

Ведущая организация:

Физико-технический институт УрО РАН

Защита состоится « » /У 2012 г. в ч. на заседании диссертационного совета Д 501.001.70 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991 Москва ГСП-1, Ленинские горы, д.1, стр.35, МГУ имени М.В. Ломоносова, ЦКП физического факультета, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. A.M. Горького МГУ им. М.В. Ломоносова (Ломоносовский проспект, д. 27, Фундаментальная библиотека).

Автореферат разослан «<£» /У2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.70 доктор физико-математических наук, профессор

лотников Г.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Одним из актуальных направлений современной физики является направление, связанное с исследованием метаматериалов. Метаматериал - это искусственно созданная система из микроструктурных элементов различной формы, подобранных так, чтобы материал проявлял заданные физические свойства. Направленное на метаматериал коротковолновое излучение вызывает вторичную резонансную электромагнитную волну, и в результате может возникнуть эффект, при котором электромагнитная волна распространяется в одну сторону, а индуцированное поле - в другую. Терминологически существует несколько вариантов названия таких метаматериалов: среды с отрицательной фазовой скоростью, среды с отрицательным коэффициентом преломления, обратные среды, дважды отрицательные среды (и диэлектрическая, и магнитная проницаемости отрицательны), среды с обратной волной. В средах с отрицательным показателем преломления некоторые эффекты, такие, как преломление света, эффект Доплера, Черенкова-Вавилова, эффект Гуса-Ханкена, меняются на обратные, по отношению к средам с положительным показателем преломления. Благодаря этому, среды с отрицательным показателем преломления имеют большие перспективы с точки зрения практических применений, но остаётся очень много невыясненных вопросов, связанных с проблемой изготовления подобных сред. Помимо сред с отрицательным показателем преломления, в которых отрицательны и диэлектрическая и магнитная проницаемости, в настоящее время представляют интерес и наноструктурные композиты, состоящие из металлических элементов в диэлектрической матрице. Такие структуры имеют отрицательную диэлектрическую проницаемость в силу оптических свойств металла, в то время как магнитная проницаемость может оставаться положительной. Они проявляют интересные оптические свойства в видимой и ближней инфракрасной (ИК) области электромагнитного спектра благодаря возбуждению поверхностных плазмонных мод.

Цели исследования

Цель диссертационной работы заключалась в теоретическом исследовании эффекта Фарадея, распространения энергии и построение теории оптического эффекта Магнуса в средах с отрицательным показателем преломления, построении

1

модели метаматериала из ферромагнитных микропроводов, а также в изучении периодических плазмонных структур, в частности аномального прохождения электромагнитной волны через цепочку металлических наноцилиндров, и усиления в таких структурах напряженности локального электрического поля.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Разработка теоретической модели бигиротропной периодической среды с отрицательным показателем преломления из метаматериала с одноосной анизотропией. Аналитический расчёт эффекта Фарадея, и вектора Умова-Пойнтинга в такой среде с отрицательным показателем преломления.

2. Разработка теоретической модели метаматериала с отрицательным показателем преломления из ферромагнитных микропроводов. Аналитический расчёт оптического эффекта Магнуса. Исследование особенностей оптического эффекта Магнуса в метаматериалах с отрицательным показателем преломления.

3. Построение численной модели взаимодействия электромагнитной волны и периодической плазмонной структуры (в виде цепочки близко расположенных серебряных наноцилиндров) в оптической области спектра.

4. Численный расчёт частотных зависимостей коэффициентов отражения, прохождения, и поглощения электромагнитной волны в цепочке серебряных наноцилиндров.

5. Численный расчёт усиления напряженности электрического поля в зазоре между наноцилиндрами. Численный расчёт усиления рамановского рассеяния в цепочке серебряных наноцилиндров.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Вывод уравнения для угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны в бигиротропной периодической среде с отрицательным показателем преломления из метаматериала с одноосной анизотропией (эффект Фарадея). Вывод уравнения для вектора Умова-Пойнтинга в такой среде.

2. Аналитический расчёт показателя преломления метаматериала из параллельных микропроводов во внешнем магнитной поле. Оценка

2

показателя преломления для аморфного ферромагнетика типа Со-Ре-Сг-В-81 в СВЧ диапазоне частот.

Вывод уравнения траектории пучка лучей, описывающего в приближении геометрической оптики оптический эффект Магнуса. Анализ оптического эффекта Магнуса применительно к средам с отрицательным показателем преломления.

Результаты исследования численного моделирования эффектов взаимодействия электромагнитной волны с плазмонной структурой в виде цепочки серебряных наноцилиндров в оптическом диапазоне частот. Результаты численного расчёта коэффициентов отражения Л, прохождения Т, и поглощения А в зависимости от частоты электромагнитной волны. Результаты численного расчёта усиления напряженности электрического поля в цепочке металлических наноцилиндров с разными геометрическими параметрами. Сопоставление результатов численного счёта с результатами аналитических расчётов.

Результаты численного расчёта усиления рамановского рассеяния в цепочке попарно расположенных серебряных наноцилиндров с разными геометрическими параметрами. Анализ возможности практического использования цепочки металлических наноцилиндров в качестве подложки для создания сенсора по обнаружению молекулярных комплексов различных веществ.

Научная новизна

Проведенные исследования расширяют существующие представления о метаматериалах с отрицательным показателем преломления, а также о периодических плазмонных структурах в виде металлических элементов в диэлектрической матрице.

Впервые была рассмотрена периодическая бигиротропная среда из метаматериала с одноосной анизотропией и рассчитан угол вращения плоскости поляризации электромагнитной волны, гармонически изменяющийся вдоль её распространения. Для однородной бигиротропной среды с отрицательным показателем преломления был получен вектор Умова-Пойнтинга, который при малой гиротропии противонаправлен фазовой скорости.

В приближении геометрической оптики было показано, что оптический эффект Магнуса в неоднородных средах с отрицательным показателем преломления также аномален, как аномальны эффекты Доплера, Черенкова-Вавилова, преломления света в однородных средах с отрицательным показателем преломления.

Была представлена теоретическая модель метаматериала, состоящего из упорядоченной системы аморфных ферромагнитных микропроводов. Было показано, что такой метаматериал проявляет отрицательный показатель преломления в реалистичной области частот электромагнитного спектра.

Было проведено комплексное теоретическое исследование распространения поверхностных плазмонных мод в периодической цепочке тесно расположенных друг к другу металлических наноцилиндров, вкрапленных в диэлектрическую среду. Была построена численная двумерная модель распространения электромагнитной ТЕ-волны через цепочку серебряных наноцилиндров с разными диаметрами и расстояниями между цилиндрами в оптической области спектра. Было показано, что коэффициенты отражения, а также прохождения ТЕ-волны в цепочке наноцилиндров немонотонно зависят от частоты, благодаря возникновению коллективных поверхностных плазмонных резонансов в металлических наноцилиндрах. На резонансных частотах возникают моды в виде скачков напряженности электромагнитного поля. Напряженность локального электрического поля в зазоре между наноцилиндрами во много раз усилена по отношению к напряженности падающего, электрического поля в условиях резонанса. Показано, что варьируя диаметры цилиндров и расстояния между ними, можно изменять положение резонансных частот. Таким образом, рассмотренная плазмонная структура является управляемой.

Результаты, полученные при выполнении работы, являются новыми, представляют несомненный интерес и имеют важное научное значение в исследовании метаматериалов.

Достоверность результатов

Достоверность работы подтверждается тем, что часть теоретических результатов описывает экспериментально установленные эффекты. Достоверность результатов диссертационной работы также обеспечивается использованием апробированных методов, совпадением полученных в работе результатов с экспериментальными и известными теоретическими результатами.

Практическая значимость работы

Результаты данной диссертационной работы по теоретическому изучению метаматериалов представляют несомненный интерес с практической точки зрения. Они могут быть полезны для создания управляемых метаматериалов из аморфных ферромагнитных микропроводов состава Co-Fe-Cr-B-Si в СВЧ диапазоне частот. Особенностью представленной в диссертационной работе теоретической модели метаматериала из упорядоченной структуры микропроводов является то, что оптическую неоднородность показателя преломления можно регулировать градиентом внешнего магнитного поля. Таким образом, представленный метаматериал является управляемым.

Результаты работы по изучению периодических плазмонных структур можно использовать в спектроскопии для создания датчиков по обнаружению молекулярных комплексов различных веществ на основе SERS (Поверхностно-усиленная рамановское рассеяние) подложек. Действие таких сенсоров основано на возбуждении различных плазмонных мод в системе наноцилиндров и рамановском рассеянии этих плазмонов на исследуемых молекулах. В случае совпадения спектров рамановского рассеяния и спектров плазмонного резонанса происходит мультипликативное усиление рассеяния. При этом усиление рамановского рассеяния может достигать миллиардов и десятков миллиардов величины. Данный метод детектирования молекул может использоваться в широком спектре прикладных задач: в области медицины и здравоохранения для идентификации многих лекарственных препаратов, таких как, аспирин, и др., в области безопасности и т.д.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на российских и международных конференциях в виде устных и стендовых докладов (тезисы и труды конференций опубликованы в соответствующих сборниках): международных научных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2006, 2007, 2008); Московских международных симпозиумах по магнетизму «MISM» (Москва, 2005, 2008, 2011); международной школе-семинаре «Новое в магнетизме и магнитных материалах НМММ-ХХ» (Москва, 2006); Курчатовской конференции молодых учёных «5-я Курчатовская конференция молодых ученых» (Москва, 2007); международных конференциях "SPIE Optics+Photonics" (Сан Диего,

5

2008, 2010, 2012); международной конференции американского физического общества «APS March Meeting» (Питтсбург (США), 2009); симпозиуме по электромагнитным исследованиям «PIERS» (Москва, 2009); международных конференциях «Дни дифракции» (Санкт-Петербург, 2010, 2012); ежегодных научных конференциях ИТПЭ (Москва, 2011, 2012); международной конференции "ICMAT" (Сингапур, 2011); международной конференции "ETOPIM" (Марсель, 2012).

Публикации

Материалы диссертационной работы опубликованы в 34 печатных работах, из них 7 статей в рецензируемых журналах, 6 статей в сборниках трудов конференций, 21 работа в сборниках тезисов докладов всероссийских и международных конференций.

Личный вклад автора

Данная работа выполнялась в рамках нескольких исследовательских проектов, направленных на теоретическое изучение оптических и электродинамических свойств метаматериалов в различных областях электромагнитного спектра. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад автора диссертационной работы был определяющим.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, в котором сформулированы цели работы и описана структура работы, литературного обзора, в котором приведены основные труды, в которых теоретически и экспериментально изучались свойства метаматериалов и плазмонных структур, а также трёх глав, в которых содержатся оригинальные результаты, полученные автором диссертации, четырёх приложений и заключения. В конце диссертационной работы приводится список цитируемой литературы, а также публикации автора. Общий объём работы составляет 103 страницы, включая 69 рисунков и 2 таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 86 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и определены задачи исследования. Отмечается научная новизна и практическая ценность работы.

Глава 1 диссертационной работы посвящена теоретическому исследованию эффекта Фарадея, распространения энергии, построении теории оптического эффекта Магнуса в среде с отрицательным показателем преломления, а также построении модели метаматериала из упорядоченной структуры микропроводов.

В разделе 1.1 рассчитан эффект Фарадея для периодической бигиротропной среды с отрицательным показателем преломления с одноосной анизотропией.

В материалах с отрицательным показателем преломления следует ожидать гиротропные явления, поскольку их свойства определяются ассиметричными структурными единицами: кольцами-резонаторами с ассиметричными разрезами.

Гиротропная среда из метаматериала характеризуется антисимметричными тензорами диэлектрической и магнитной проницаемостями в системе отсчёта с координатной осью г, направленной вдоль направления распространения электромагнитной волны:

( ¡е(г) 0" ' -1 гт(г) (Г

Е = С -1 0 . А = р -1 0

[ 0 0 1 1 о о К

где константы диэлектрической и магнитной проницаемостей -е < 0-ц < 0. Недиагональные компоненты в тензорах (1) выбраны в виде

4г) = е„+ехсо!,(Ч2\ ш(г) = т0+т) сс^г), где Ч - волновой вектор

синусоидальной сверхрешетки вдоль оси т. (а - постоянная квазирешетки данного метаматериала);параметры модуляции; е0,т0- компоненты, не зависящие от координат. Знаки на диагоналях матриц в (1) выбраны таким образом, чтобы среда в плоскости {хОу} проявляла свойства, характерные для метаматериала с отрицательным показателем преломления.

Из уравнений Максвелла в форме ЕЭНВ, в которой используются напряженности Ё,Н и индукции В, 5 электрических и магнитных полей, соответственно, выводится система волновых уравнений для напряженностей электрического и магнитного полей в рассматриваемой среде. Осуществляется

7

переход к право- и лево- циркулярно-поляризованным волнам Е±=ЕХ±хЕу, в результате чего решается система двух несвязанных уравнений методом последовательных приближений по малым параметрам е,,т,. Для циркулярно-поляризованных электромагнитных волн выводятся пространственно-зависимые амплитуды напряженности электрического поля £'0)(г)+я]:1)(г). Затем, после вычисления проекций напряженности электрического поля на оси ОХ Е, (2) = (2)+ Е* (г)1/2 и на ось О У Еу(г) = [£+ (г) - (г)]/2/, находится угол вращения

плоскости поляризации электромагнитной волны, распространяющейся вдоль оси О2 в бигиротропной среде (1) из метаматериала:

р(°)_чг(0 2(е,+т1)-/я1М- .

= = -(2)

-а

Первый член в полученном выражении для поворота плоскости поляризации (2) сходен с выражением для стандартного эффекта Фарадея в однородной гиротропной среде. Из второго слагаемого в (2) следует, что угол поворота Ч'(г)

увеличивается при приближении модуля волнового вектора к0 к значению ^ = —, что

2 а

сходно с резонансным взаимодействием электромагнитной волны с периодической гиротропной средой. Заметим, что при реалистических значениях волнового вектора к„ = д^]т1/2(е1 +т1) периодический гиротропный вклад в (2) меняет знак, а в точках с Ыл N(1

координатой г =-= — (И - целое число) периодический вклад в эффект Фарадея

Я 2

исчезает.

В рамках исследования распространения энергии в средах с отрицательным показателем преломления, рассчитан вектор Умова-Пойнтинга:

= (3)

4тг 4пца 1 -т; I 1-т„ )

При |/я0|<1 он направлен в противоположную сторону волновому вектору к,

как и должно быть в негиротропной среде из метаматериала. Заметим, что

8

гиротропность материала увеличивает поток электромагнитной энергии в —!_раз.

1 -т02

Из результата (3) следует, что в случае |т0|>1 вектор Умова-Пойнтинга в гиротропной среде из метаматериала сонаправлен с волновым вектором бегущей электромагнитной волны в отличие от негиротропных сред из метаматериала. В бигиротропной среде возможно распространение волн с обеими круговыми поляризациями, с волновыми векторами kt = k0J(-l±e,J-l±m0) при выполнении условий |е„| > 1, \та\ > 1 или |е0| < 1, |m0| < 1.

При этих условиях в гироэлектрической или гиромагнитной среде из метаматериала распространяется лишь одна циркулярно-поляризованная волна, тогда как другая, с мнимым волновым вектором, затухает. Поэтому такие гиротропные материалы бигиротропны.

В разделе 1.2 проведено теоретическое изучение метаматериала, составленного из упорядоченной системы ферромагниных микропроводов, помещенных во внешнее магнитное поле.

Рассматривается однородный одноосный объемный ферромагнетик, намагниченный до намагниченности {ОДМ} стационарным внешним магнитным полем {О,О,Н0}. Тогда динамический тензор магннтной проницаемости с соответствующими компонентами имеет вид:

'ц -1т 0) im л 0

О 0 lj <а»_<а , (4)

= уН„, аи = АлуМ, т = -ОХО"

Н

где у ---магаетомеханическое отношение.

тс

Из уравнений Максвелла в среде для напряженности и индукции электромагнитной волны, распространяющейся с частотой ш, вытекает волновое

уравнение на комплексный волновой вектор к со электромагнитной волны в

с

объемном ферромагнетике. Затем осуществляется переход от объемного ферромагнетика к системе цилиндрических микропроводов, параллельных оси ОЪ, которые находятся в узлах квадратной решетки с постоянной Ь, лежащей в плоскости ХОУ (Рис.1).

Для электромагнитной волны, распространяющейся поперек проводов, у которой напряженность электрического поля направлена вдоль оси ОЪ, метаматериал является однородным при длинах волн Я»а. Тогда объемная концентрация микропроводов будет равна ля2 „

р=——. С учетом перенормировки, Ь

Рис. 1. Метаматериал, изготовленных из аморфных эффективная магнитная проницаемость ферромагнитных микропроводов радиуса а, длины Ь

метаматериала выражается следующим образом:

и расстоянием между ними Ь во внешнем магнитном

1 ((о0+ап)г -СО2

^"г^К+аО-ю2

1+

Эффективная дюлектрическая проницаемость системы проводов записывается следующим образом:

2л

1п-

1 + 1

,ь

<оа\а — аУ

(6)

где £„ - диэлектрическая проницаемость среды, в которой расположены микропровода, - продольная компонента тензора поверхностного импеданса провода.

Из выражений для эффективных диэлектрической и магнитной проницаемостей, определяемых формулами (5) и (6) (в отсутствии диссипации энергии) следует, что при выполнении условий ^/гу0(ш0 +ш„) <а<о>0 +а>т в широкой области частот о<с/Ь^2тг/(г0 1пЬ/а) (с£„/(ша\пЬ/а)«\) для реалистических значений е0 матрицы метаматериал имеет отрицательный показатель преломления, п = л/елИи«1ГН<0.

При фиксированной частоте электромагнитной волны т отрицательность показателя преломления достигается в области магнитных полей

(a>-<Bm)/y<Ht <(V<0» +4íb2 -a>myly. Показателем преломления такого метаматериала можно управлять, влияя внешним магнитным полем на резонансную частоту о}„ = уН0. Магнитоупругие эффекты, влияющие на анизотропию и доменную структуру аморфных ферромагнитных микропроводов, не учитывались. Оптическую неоднородность в предложенном метаматериале можно создавать, помещая его в неоднородное внешнее магнитное поле. Помещенные во внешнее магнитное поле Н0 =10Э параллельные микропровода радиусом а = 10"3 см с постоянной решетки b = 0.1 см можно изготовить из аморфного ферромагнетика Со-Fe-Cr-B-Si с проводимостью ст»1016с"', намагниченностью М=500 Гс, величиной тензора поверхностного импеданса £„я10~3. Тогда согласно формулам (5-6) (в отсутствии затухания) такой материал оказывается метаматериалом с отрицательным показателем преломления п<0 в области частот 1,9 ГГц<<в<21,7 ГГц. Стоит отметить, что теоретическая возможность создания предложенного выше метаматериала была подтверждена экспериментально в [S] (публикации автора).

В разделе 13 проведен аналитический расчет оптического эффекта Магнуса и анализ этого эффекта применительно к средам с отрицательным показателем преломления.

При распространении циркулярно-поляризованной электромагнитной волны в неоднородной среде, направление момента импульса волны изменяется. Тогда, согласно закону сохранения момента импульса, траектория луча скручивается, в чем и состоит оптический эффект Магнуса.

Для электромагнитной волны, распространяющейся в изотропной неоднородной среде с диэлектрической и магнитной проницаемостями ¿(г) и /¡(г) соответственно, напряженности электрического и магнитного полей Ё и Н a: e'ikf~a*rW), где - фаза волны (добавка к эйконалу) на пути s. Направление лучей /0 определяется градиентом эйконала Vyr =Ы0, причем Vy-Я=0 и Vy/-H = 0. Тогда из уравнений Максвелла выводятся уравнения для амплитуд напряженностей электрических и магнитных полей £„,#„. Используя уравнения Максвелла в к-представлении, выражение для вектора Умова-Пойнтинга S, а также переходя к циркулярно-поляризованным электромагнитным волнам, выводится уравнение траектории луча циркулярно-поляризованной электромагнитной волны:

8s n k[ds n 2e os p 2ц ds e J

где ±1 соответствует право- или лево- циркулярно-поляризованным волнам.

Второе слагаемое в формуле (7) определяет выражение для оптического эффекта Магнуса. Оно симметрично относительно замены е о ц, что, наряду с численными коэффициентами, отличает формулу (7) от формулы (9) работы [67] (в списке цитированной литературы диссертации).

Оптическую неоднородность, в предложенном в разделе 1.2 данной диссертационной работы метаматериале, можно создавать, помещая его в неоднородное внешнее магнитное поле. Так, задавая градиент магнитного поля вдоль оси х, VH0 ={Vx#0,0,0}, выводится оптический эффект Магнуса для предложенного метаматериала:

SS.r V» = .яуГаУ с <о.К2+<в2) ЭГ =1

__/oX_x^_(_j ____._Кя0х4 (8)

где е^ - эффективная диэлектрическая проницамость метаматериала,

выраженная формулой (6), С = 1+

а (2тгаУ

<ое \ b )

+1.

Поскольку вектор Умова-Пойнтинга связан с групповой скоростью у и плотностью электромагнитной энергии § = ■*>•$, первое слагаемое в квадратных скобках уравнения (7) совпадает с выражением для оптического эффекта Магнуса в формулах (10) и (11) работы [68] (в списке цитированной литературы диссертации), выведенных при помощи фазы Берри для сред с положительным показателем

~ . па

преломления. Так как волновой вектор к=— меняет знак при переходе к средам с

с

отрицательным показателем преломления, л-»-л, а квадратная скобка в выражении (7) сохраняет свой знак, то оптический эффект Магнуса является аномальным в неоднородных средах с отрицательным показателем преломления. Расщепление линейно-поляризованной электромагнитной волны на две циркулярно-

поляризованные противоположно в неоднородных средах с отрицательным показателем преломления и в обычных неоднородных средах.

В разделе 1.4 приведены основные результаты и выводы к Главе 1.

В Главе 2 представлена теоретическая модель периодической плазменной структуры в виде цепочки металлических наноцилиндров. Численно решена задача распространения электромагнитной волны через цепочку металлических наноцилиндров с разными геометрическими характеристиками в оптической области электромагнитного спектра.

Раздел 2.1 состоит из введения, в котором дан краткий обзор результатов, полученных для периодических плазмонных структур, а также результаты аналитического решения задачи для двух бесконечно длинных параллельно расположенных металлических цилиндра во внешнем электрическом поле [3] (публикации автора).

В разделе 2.2 численно рассчитаны частотные зависимости коэффициентов прохождения, отражения, а также поглощения электромагнитной волны в цепочке плотно прилегающих серебряных наноцилиндров.

Особенностью взаимодействия электромагнитных волн с метаматериалами на основе металл-диэлектрик в ближней (ИК) и видимой областях электромагнитного спектра является возбуждение поверхностных плазмонных мод. В силу того, что диэлектрическая проницаемость металла в оптическом диапазоне частот является отрицательной величиной и обратно пропорциональна квадрату частоты, металлическая частица может рассматриваться как индуктивность Ь. Взаимодействие электромагнитной волны с металлической частицей эквивалентно возбуждению Я-Ь-С контура. Резонанс, возникающий в такой Я-Ь-С цепи, аналогичен поверхностному плазменному резонансу в отдельной наночастице. Если имеется цепочка металлических наночастиц, то электромагнитное взаимодействие между этими частицами может рассматриваться, как набор Я-Ь-С контуров, где расстояние между частицами рассматривается как ёмкость С.

Проблема взаимодействия электромагнитной волны с цепочкой металлических наноцилиндров была исследована численно с помощью программного комплекса «Комсол» (СОМБОЬ МиШрЬувюз). Уравнения Максвелла решались методом конечных элементов. Компьютерная модель выглядела следующим образом. Электромагнитная ТЕ-волна с волновым вектором к, направленным

13

перпендикулярно оси цилиндров, падала на цепочку цилиндров, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга в плоскости ТХ (рис.2). В результате взаимодействия электромагнитной волны с системой цилиндров, она частично отражалась от цилиндров, а частично проходила сквозь систему.

а) 6)

Рис. 2. Распространение электромагнитной ТЕ-волны через (а) цепочку бесконечных наноцилиндров; (б) через цепочку попарно расположенных наноцилиндров (димеров).

Диэлектрическая проницаемость металла в оптическом и (ИК) диапазоне частот может быть аппроксимирована с помощью формулы Друде:

1 + /3-

со

(9)

В этой формуле (9) со =

4 те2

плазменная частота (л-плотность электронов,

е,т - заряд и масса электрона), ю = —«со - частота релаксации.

г

В качестве материала, из которого выполнены цилиндры, было выбрано серебро. Оптические константы для серебра в формуле Друде (9) были взяты из экспериментальных данных [70,84] (список цитированной литературы диссертации): еь =5,юр =9ЛэВ,а>, =0.02эВ. Диэлектрическая проницаемость окружающего цилиндры пространства была принята равной диэлектрической проницаемости ваккума ел =1. Размер цилиндров варьировался от 2 нм до 100 нм. Расстояние между цилиндрами было фиксированным 8 = \нм. Длина волны падающего на систему цилиндров излучения была много больше характерного размера цилиндров и изменялась в диапазоне от 0.2 мкм до 2 мкм. Расстояние от источника излучения до системы металлических цилиндров выбиралось таким образом, чтобы укладывалось хотя бы половина длины волны.

Немонотонная зависимость прохождения электромагнитной ТЕ-волны от частоты проиллюстрирована на (Рис.3). Частотные зависимости коэффициентов прохождения, отражения, а также поглощения для цепочки цилиндров с диаметрами Б=2 нм, 4 нм, 8 нм, 16 нм, 32 нм, 64 нм указаны в Приложении 1 диссертационной работы.

Цепочка металлических наноцилиндров, центры которых расположены в плоскости с координатами х = 0,у = 8/2 + а±п{8 + 2а) формируют плёнку. Предположим, что свет падает нормально о 1.», к плёнке. Коэффициенты прохождения и отражения в таком случае будут равны

Т = |1/(1 + 2*сг / с)2 и Д = |(2*<т/с)/(1 + 2жст/сХ соответственно, где сг- поверхностная проводимость плёнки. При условии резонанса напряженность поля внутри, и,

следовательно, проводимость рис.з Офажение и прохождение ТЕ-волны в

усиливаются. Как следствие, плёнка ™е серебрянь1Х наноцюш"лров с диаметРом

J «4-, Е>=10 нм и расстоянием между цилиндрами

становится непрозрачной на резонансных ° = 1нм ■ частотах. Вышесказанные размышления

подтверждены результатами, полученными при помощи компьютерного моделирования. Коэффициент отражения (синяя кривая) для цепочки наноцилиндров с диаметром 0=10 нм, как функция частоты, имеет три пика максимума: = 2.63 эВ, 3.53 э В 3.65 эВ (Рис.3). Между резонансами мнимая часть поверхностной проводимости <т(ш) меняет знак и исчезает на нерезонансной частоте. Соответственно коэффициент прохождения (красная линия) Т имеет максимумы на межрезонансных частотах. Координатное распределение напряженности электрического и магнитных полей на каждом из последовательных трёх резонансах для цепочки наноцилиндров с диаметром 0=10 нм показано на (Рис.4).

а) 6)

Рис. 4. Распределение напряженности электрического <Е (х, у)/ Е,, (а), а также магнитного И )///.. (б) полей. Визуализация коллективных поверхностных плазмонных резонансов в цепочке серебряных цилиндров: — 2.63 (Ог — 3.53 эВ, а>3 — 3.65 эВ. Диаметр цилиндров и расстояние между цилиндрами равны I) — 10 дм, 5 = \нм соответственно.

Красный цвет соответствует максимуму амплитуды электрической компоненты ТЕ-волны, в то время как синий цвет соответствует минимуму. Максимальная напряженность электрического поля концентрируется в пространстве между цилиндрами, много меньшем радиуса цилиндров в условиях резонанса.

В разделе 2.3 приведены основные результаты и выводы к Главе 2.

В Главе 3 изучается усиление напряженности электрического поля в системе плотно прилегающих металлических наноцилиндров.

Раздел 3.1 посвящен численному расчёту усиления напряженности электрического поля в системе попарно расположенных серебряных цилиндров, образующих цепочку димеров (Рис. 26).

Рассчитана частотная зависимость усиления напряженности локального электрического поля для различных значений диаметров цилиндров и расстояний между цилиндрами. Сопоставление аналитических расчётов с численными для двух

с

значений диаметра цилиндров (Т)=1нм, 0=10нм), при сохранении условия — = 0.1

приведено на (Рис. 5).

Как видно из графика (Рис.5), напряженность локального

электрического поля в центральной точке зазора между наноцилиндрами во много раз усилена по сравнению с напряженностью падающего поля и зависит от отношения 8/Б, что согласуется с [3] (публикации автора). Согласно результатам численного счёта (красная и синяя пунктирные лини на Рис. 5), усиление напряженности

электрического поля имеет своё максимальное значение при диаметре наноцилиндров О = \нм, что совпадает с аналитическими результатами, представленными в формулах (2.7), (2.8) Главы 2 диссертационной работы. При увеличении диаметра цилиндров Б, а также расстояния между цилиндрами 5 в десять раз, сохраняя отношение 5/0 = 1/10, усиление напряженности электрического поля становится меньше почти в два раза. Согласно аналитическим расчётам (фиолетовая сплошная линия), усиление зависит только от отношения расстояния между цилиндрами к диаметру цилиндров З/И. Резонансные пики усиления, которые можно наблюдать на (Рис. 5), исчезают при приближении диэлектрической проницаемости цилиндров к нулевому значению, что соответствует частоте со £ 4эВ. Усиление напряженности локального электрического поля в зазоре между цилиндрами для диаметров цилиндров В=2 нм, 4нм, 8 нм, 16 нм, 32 нм и расстояний между цилиндрами 5= 0.2нм, 0.4нм, 0.8нм, 1.бнм, 3.2нм, соответственно отображено в Приложении 2 диссертационной работы.

Рассмотрим цепочку попарно распложенных цилиндров (Рис.2б) при фиксированном расстоянии между цилиндрами 5=1 нм. Изменяя диаметр цилиндров, было численно рассчитано резонансное усиление напряженности локального электрического поля в центральной точке зазора между цилиндрами (Рис.6 а).

17

3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 со,оВ

Рис. 5. Усиление напряженности локального элеетрического поля в центральной точке зазора между наноцилиндрами как функция частоты: Е0-

амплитуда напряженности падающего электрического поля; фиолетовая сплошная линия соответствует аналитическим расчётам; синяя и красная пунктирные линии соответствуют численным; диаметр цилиндров в компьютерной модели был выбран /) — 1 нм и /) = 10 нм .

100000

25000

2000

ii$ï\

# 1 резонанс A 2 резонанс ■ 3 резонанс ф 4 резонанс

♦ ■

3.7

s" з

0.01

0.1 1 /о,(«м)'

0.5

2.6

Ж ••

• 1 резонанс А 2 резонанс

В 3 резонанс ♦4

o.oi

0.5

0.1

1/Л,(«м)'

а) 6)

Рис.6. Усиление напряженности локального электрического поля |Я„(<а,)/£0|г (п - номер резонанса) в центральной точке зазора между наноцилиндрами как функция диаметра цилиндров D в логарифмическом масштабе (а): £0 - амплитуда напряженности падающего электрического поля; расстояние между центрами пар цилиндров /=300 нм; Синие диски соответствуют первому по счету резонансу из серии, фиолетовые треугольники - второму резонансу, красные кубы - третьему резонансу, зеленые ромбы - четвертому. Частота каждого из резонансов СОп как функция диаметра D цилиндров (б).

Усиление напряженности локального электрического поля при фиксированном расстоянии между цилиндрами 5 = 1 нм зависит от диаметра цилиндров, и принимает своё максимальное значение при диаметре £>, равным 16 нм, что соответствует глубине скин-слоя в серебряных частицах (Рис.ба). На (Рис.66) приведено положение частот для каждого из резонансов в зависимости от диаметра цилиндров. Стоит отметить, что при увеличении диаметра цилиндров, резонансные частоты сдвигаются в низкочастотную область. Таким образом, положение резонансных частот можно изменять, варьируя размерами цилиндров и расстоянием между ними.

Усиление напряженности локального электрического поля в зазоре между цилиндрами для диаметров цилиндров D=2hm, 4нм, 8 нм, 16 нм, 32 нм, 64нм при фиксированном расстоянии между цилиндрами 5=1нм отображено в Приложении 3 диссертационной работы.

Раздел 3.2 посвящен изучению усиления рамановского рассеяния в системе наноцилиндров.

Поверхностно усиленная рамановская спектроскопия (SERS) является мощным аналитическим инструментом для сверхчувствительного химического и биологического анализа. Суть явления заключается в гигантском усилении рамановского рассеяния молекул, расположенных вблизи поверхностей с металлическими включениями.

Для разных диаметров цилиндров в цепочке попарно расположенных наноцилиндров (димеров), был рассчитан коэффициент усиления рамановского рассеяния О (Рис. 7):

(Ю)

1.x ю' 8. х 108 6.x 10' 4.x 10'

2.x 10»

. # *

■ а ,<г

• 2нм ▲ 4 нм ■ 10 нм ф 25 нм

где бсв - частота Стоксовского сдвига относительно опорной частоты.

Интегрирование в

формуле (10) производится по всему объему в зазоре между цилиндрами.

При распространении электромагнитной ТЕ-волны через цепочку попарно-расположенных цилиндров, возникают коллективные

плазмонные резонансы в рассматриваемой системе, которые приводят к усилению напряженности электрического поля в зазоре между цилиндрами. Для каждого из диаметров цилиндров эти резонансы следующие: 0=2нм - <а,=3.612эВ, тг =3.696 эВ; 0=4нм - <в,=3.521эВ, <»2=3.670эВ; 0=10 нм - <у,=3.335эВ, <о2=3.585эВ, <в3=3.662эВ; 0=25 нм - <ц,=3.071эВ, а2 =3.430, и3=3.567эВ, <о4=3.633эВ.

В качестве опорной были выбраны частоты первого ш, из серии резонансов для каждого из диаметра цилиндров: для 2нм - со, =3.612ай; 4 нм - 3.521 эВ; 10 нм -3.335 эВ; 25 нм-3.071 эВ.

Раздел 3.3 посвящен возможности использования цепочки серебряных наноцилиндров в качестве подложки для работы оптического сенсора по обнаружению молекулярных комплексов, на основе результатов высокоточного компьютерного моделирования в среде «Комсол» (Сошбо! МиШрЬузюв).

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.« 0.7

ЙЮ.Э В

Рис.7. Рамановский сигнал С, определяемый формулой (3.2), как функция частоты Стоксовского сдвига для разных значений диаметра цилиндров: 2 нм (синие диски), 4 нм (фиолетовые треугольники), 10 нм (красные квадраты), 25 нм (зеленные эллипсоиды); расстояние между цилиндрами 5 = 1 нм; в качестве опорной (несдвинутой) частоты была выбрана частота первого резонанса для каждого из цилиндров, 2 нм - 3.612 эВ, 4 нм - 3.521 эВ, 10 нм — 3.335 эВ, 25 нм - 3.071 эВ.

Действие такого сенсора основано на возбуждении различных плазмонных мод в зазоре между наноцилиндрами и рамановском рассеянии этих плазмонов на исследуемых молекулах. Основой детектирующего устройства является пленка с включениями металла. Такая пленка состоит из двухмерной матрицы металлических цилиндров, размер которых составляет несколько десятков нанометров. Металлические включения можно рассматривать как наноскопические антенны, собирающие падающее излучение. На подложку, состоящую из системы параллельных, попарно расположенных цилиндров из серебра, помещенных в диэлектрик, наносится исследуемое вещество. Посредством лазера с фиксированной или перестраиваемой частотой, в области видимого или ИК-диапазона электромагнитного спектра, производится облучение вещества световой волной, причем таким образом, чтобы вектор напряженности электрического поля волны был перпендикулярен к главным осям цилиндров. Длина волны лазерного пучка возбуждения много больше характерного размера наноцилиндров. В результате взаимодействия электромагнитной (световой) волны с металлическими включениями, возбуждаются плазмонные колебания в волноводе, образованном близко расположенными металлическими наноцилиндрами. Эти колебания имеют несколько резонансных частот, соответствующих стоячим плазмонным волнам. Разработанные методы численного моделирования, основанные на полномасштабном решении уравнений Максвелла, позволяют настраивать подложку плазмонного сенсора таким образом, чтобы линии плазмонного резонанса совпадали с линиями рамановского рассеяния вещества, которое необходимо обнаружить. В случае совпадения спектров рамановского рассеяния и спектров плазмонного резонанса происходит мультипликативное усиление рассеяния, которое может достигать десятков миллиардов величины. Таким образом, плазмонный сенсор способен обнаруживать молекулы и молекулярные комплексы различных веществ.

В качестве примера рассмотрим раствор 2,4,6-тринитротолуола (2,4,6- ТНТ) в ацетонитриле, рамановский спектр которого изображен на (Рис. 8).

Спектр рамановского рассеяния ТНТ находится в области от 0.11 эВ до 0.20 эВ и имеет свои уникальные пики интенсивности на частотах, сдвинутых относительно частоты падающего излучения на Seo, = 0.114 эй, Sa2 =0.13 эй, &в, =0.1674эВ, Seot =0.189 эВ, Sws =0.197эй.

Рассчитаем расстояние между резонансными пиками усиления напряженности локального

электрического поля для различных значений диаметра цилиндров в системе попарно расположенных цилиндров (Рис.9). Воспользовавшись

0.14 0.1« 0.»

Стоксоескин сдвиг, эв

результатами, представленными на Рнс. 8. Рамановский спектр 2,4,6 тринитротолуола (2,4,6-

ТНТ) [86]: Концентрация раствора (С6Н5^06) составляет (Рис.9), можно установить, ЧТО 2.2 ммоль/л; Длина волны излучения лазера -244 нм.

условию совпадения хотя бы двух

пиков в спектрах рамановского рассеяния тринитротолуола и плазмонного резонанса в рассматриваемой системе цилиндров, соответствует только одна конфигурация цилиндров с диаметром Б=18 нм.

Если же использовать в качестве подложки сенсора цепочку цилиндров с разными диаметрами, то возможно подобрать такие параметры системы, при которых каждому пику рамановского сигнала ТНТ, представленному на (Рис.8), будет соответствовать свой набор цилиндров с диаметрами Б, равными 2.8 нм, 3.5нм, 4.6 нм, 5.5 нм, 6 нм.

Таким образом, плазмонные сенсоры позволяют распознавать вещества, определяя наличие в веществе тех или иных молекул. Данный метод детектирования

молекул может использоваться в широком спектре прикладных задач: в области медицины и здравоохранения для идентификации многих лекарственных препаратов, таких как, аспирин, ацетаминофен и др.; в области безопасности, в военных целях для определения некоторых взрывчатых веществ, таких, как гексоген, тринитротолуол и др.

Рис. 9. Расстояние между резонансными пиками усиления напряженности локального электрического поля в зависимости от диаметра цилиндров в логарифмическом масштабе: синие диски соответствуют разнице между второй и первой резонансными частотами д<01 = с)2 - а/,; фиолетовые треугольники — между третьей и первой 8сог = й), - о>1: красные квадраты - между четвертой и первой ьщ »а,-ш,; зеленые ромбы - между третьей и второй ¿<ол - со, - со1: оранжевые эллипсы — между четвертой и второй =а>4 _а,1; коричные шестигранники - между четвертой и третьей ¿а, = <о, - а>,.

В разделе 3.4 приведены основные результаты и выводы к Главе 3. В заключении суммируются основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые рассчитан эффект вращения плоскости поляризации электромагнитной волны в бигиротропной среде с отрицательным показателем преломления с учётом периодичности. Показано, что угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны в такой среде увеличивается при приближении модуля волнового вектора ка к значению ?/2 = я/а (2), что сходно с резонансным взаимодействием электромагнитной волны с периодической гиротропной средой. При значениях волнового вектора к0 = +т1) периодический гиротропный вклад меняет знак, а

в точках с координатой г = Мг/? = №/2 периодический вклад в эффект Фарадея исчезает. Рассчитан вектора Умова-Пойнтинга. Показано, что при выполнении условия |те0|<1, он направлен в противоположную сторону волновому вектору ка, как и должно быть в негиротропной среде с отрицательным показателем преломления. При |т0|>1 (3), вектора Умова-Пойнтинга сонаправлен с волновым вектором к0 бегущей электромагнитной волны в отличие от негиротропных сред с отрицательным показателем преломления.

2. Впервые теоретически предсказана возможность создания метаматериала из параллельных ферромагнитных микропроводов состава Со-Ре-Сг-В-51, проявляющего отрицательные магнитную и диэлектрическую проницаемости в СВЧ диапазоне частот. Показано, что оптическую неоднородность в предложенном метаматериале можно создавать, помещая его в неоднородное внешнее магнитное поле.

3. Аналитически рассчитан оптический эффект Магнуса. Показано, что оптический эффект Магнуса аномален в неоднородных средах с отрицательным показателем преломления, как эффекты Доплера, Черенкова-Вавилова, Гуса-Ханкена, а также преломления света в однородных средах с отрицательным показателем преломления.

4. Построена двумерная (2D) численная модель взаимодействия электромагнитной ТЕ-волны с цепочкой серебряных наноцилиндров в оптическом диапазоне частот. Показано, что коэффициенты отражения, прохождения и поглощения ТЕ-волны немонотонно зависят от частоты в связи с возникновением в системе коллективных плазмонных резонансов.

5. Проведен численный расчёт напряженности локального электрического поля в системе попарно расположенных серебряных цилиндров с разными диаметрами D и расстоянием между ними 5. Показано, что в условиях резонанса, в такой модели происходит мультипликативное усиление напряженности локального электрического поля в зазоре между цилиндрами по сравнению с напряженностью падающего электрического поля. Интенсивность амплитуды напряженности электрического поля |Я/Я0|" достигает значения 105.

6. Проведен численный расчёт коэффициента G усиления рамановского рассеяния в цепочке попарно расположенных наноцилиндров. Показано, что интенсивность рамановского рассеяния достигает значения 109. Показано, что варьируя диаметры цилиндров D и расстояния между ними 5, можно изменять положение частот плазмонного резонанса. Таким образом, рассматриваемая плазмонная структура является управляемой.

7. Предложена возможность практического использования цепочки серебряных цилиндров в качестве подложки для работы сенсора по обнаружению молекулярных комплексов. Подобраны такие геометрические параметры цилиндров, при которых спектры плазмонного резонанса в рассматриваемой модели совпадают со спектрами рамановского рассеяния тринитротолуола.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Опубликованные статьи в реферируемых журналах, а также в сборниках трудов

конференций

1. A. Ivanov, A. Shalygin, P. Vorobev, S. Vergeles & A.K. Sarychev "Plasmon excitation in array of adjoining meal nanorods: field enhancement and optical sensing" // IEEE, Days on Diffraction 2012 Proceedings (2012), P. 1-5 -accepted.

2. A. Ivanov, A. Shalygin & А. К. Sarychev "TE-wave propagation through 2D array of metal nanocylinders" // Solid State Phenomnea (2012) V. 190, P. 577580.

3. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Lebedev, P. Vorobev, S. Vergiles & A. K. Sarychev "Plasmonic extraordinary transmittance in array of metal nanorods" // Appl. Phys. A (2011) DO I 10.1007/s00339-011-6731-3, INVITED PAPER, 7 pages.

4. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin, A. Vedyayev & V. Ivanov "Metamaterials from amorphous ferromagnetic microwires: interaction between microwires" // Solid State Phenomena (2009) V. 152-153, P. 357-360.

5. A. Ivanov, V. Galkin, V. Ivanov, D. Petrov, K. Rozanov, A. Shalygin & S. Starostenko "Metamaterials fabricated of amorphous ferromagnetic microwires: negative microwave permeability" // Solid State Phenomena (2009) V. 152-153, P. 333-336.

6. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin, A. Vedyayev & V. Ivanov "Metamaterials with tunable negative refractive index fabricated from amorphous ferromagnetic microwires: magnetostatic interaction between microwires" // PIERS Proceedings (2009) P. 1675-1678.

8. А. В. Иванов, A. H. Шалыгин, А.В. Ведяев, В. А. Иванов «Управляемые метаматериалы из аморфных ферромагнитных микропроводов» // Сборник трудов. 5-я Курчатовская молодежная научная школа (2008). С. 244-251.

9. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin , A. Vedyayev & V. Ivanov "Metamaterials with tunable negative refractive index fabricated from nanoamorphous ferromagnetic microwires and Magnus optical effect" // SPIE Proceedings (2008) V. 7029, P. 70291H-7034H.

10. А. В. Иванов, A. H. Шалыгин, А. В. Ведяев, В. А. Иванов «Оптический эффект Магнуса в метаматериалах из ферромагнитных микропроводов» // Письма в ЖЭТФ (2007) Т. 85, № 11, С. 694-698.

11. A. Ivanov, A Shalygin, A. Vedyayev & V. Ivanov "Optical Magnus effect in tunable metamaterials fabricated from amorphous ferromagnetic microwires" // First International Congress on Advanced Electromagnetic Materials in Microwaves and Optics: Metamaterials'2007 Proceedings (2007) P. 366-368.

12. А. В. Иванов, О. А. Котельникова, А. В. Ведяев, В. А. Иванов «Взаимодействие поляризованных электромагнитных волн с бигиротропной

24

левой средой» // Сборник трудов. Демидовские чтения «Фундаментальные и прикладные проблемы в современной физике» (2006) С. 197-198.

13. А. В. Иванов, О. А. Котельникова, А. В. Ведяев, В. А. Иванов «Вращение плоскости поляризации электромагнитной волны и поток энергии в бигиротропной левой среде» // Вестник Московского Университета (2006), № 4, С. 25-29.

14. A. Ivanov, О. Kotelnikova, A. Vedyayev & V. Ivanov "Gyrotropic left-handed media: energy flux and circular dichroism" // JMMM (2006) V. 300, P.67-69.

Опубликованные тезисы докладов конференций

15. A. Ivanov, A. Shalygin, P. Vorobev, S. Vergiles & A. K. Sarychev " Plasmonic system fabricated from metal nanorods: field enhancement and optical sensing" // The 9th Conference on Electrical, Transport and Optical Properties of Inhomogeneous Media (ЕТОРГМ9 2012) (Marseille, France, 2-7 September, 2012). Book of Abstracts - accepted.

16. A. Ivanov, A. Shalygin, P. Vorobev, S. Vergiles & A. Sarychev "Plasmon

excitation between adjoining metal nanorods: field enhancement and optical sensing" // SPIE'2012 NanoScience+Engineering conference (San Diego California, USA, 12-16 August 2012). Book of Abstracts.

17. A. Ivanov, A. Shalygin, P. Vorobev, S. Vergeles & A. K. Sarychev "Plasmon

excitation in array of adjoining metal nanorods: field enhancement and optical sensing" // Days on Diffraction'2012 (Saint Petersburg, Russia, May 28 - June 1 2012). Book of Abstracts.

18. А. В. Иванов, A. H. Шалыгин, П. П. Воробьёв, С. И. Вергелес, А. К. Сарычев

«Плазмоны в системе плотно прилегающих металлических цилиндров: усиление локального электрического поля и оптические сенсоры» // Тринадцатая ежегодная научная конференция ИТПЭ РАН (Москва 14-16 мая 2012 г.). Сборник тезисов докладов, С. 4.

19. A. Ivanov, A. Sarychev, A. Shalygin & V. Lebedev " Plasmonic Extraordinary

Transmittance in the System of Metal Cylinder" // International conference on materials for advanced technologies 1CMAT 2011 (26 June-1 July, Singapore). Book of Abstracts, p.57.

20. А. В. Иванов, А. Н. Шалыгин, А. К. Сарычев «Распространение ТМ-волны в неоднородной среде, состоящей из цепочки наночастиц» // Двенадцатая ежегодная научная конференция ИТПЭ РАН (Москва 4-7 апреля 2011 г.). Сборник тезисов докладов, С. 20.

21. A. Ivanov, A. Shalygin & А. К. Sarychev "TM-wave propagation into inhomogeneous medium consisting of 2D array of nanoparticle" // Moscow International Symposium on Magnetism MISM'2011 (21-25 August, Moscow, Russia). Book of Abstracts. P. 94.

22. A. Ivanov, A. Shalygin & A.K. Sarychev "TM-wave propagation into inhomogeneous medium consists of array of nanoparticles" // SPIE Optics+Photonics 2010 (San Diego, CA, USA). Book of Abstracts, paper 775791.

23. A. Ivanov, A. Shalygin & A. K. Sarychev "Plasmonic extraordinary transmittance" // Days on diffraction'2010 (Saint Petersburg, June 8-11, 2010), Book of Abstracts, p. 109.

24. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Calkin, K. Rozanov & A.V. Vedyayev "Metamaterials with tunable negative refractive index fabricated from amorphous ferromagnetic microwires: magnetostatic interaction between microwires" // Progress In Electromagnetic Research Symposium (PIERS 2009) (18-21 August 2009, Moscow), Book of Abstracts.

25. A. Ivanov, A. Vedyayev, A. Shalygin, V. Galkin & V. Ivanov " Metamaterials with tunable refractive index fabricated from amorphous ferromagnetic microwires and optical Magnus effect" // APS (American Physical Society) March Meeting 2009 (16-20 March 2009, Pittsburgh, Pennsylvania, USA). Book of Abstracts.

26. A. Ivanov "Tunable metamaterials from amorphous ferromagnetic microwires:

Interaction between microwires" // Sixth Kurchatov conference of young scientists (19-21 November 2008, Moscow). Book of Abstracts, p. 188.

27. A. Ivanov, A. Shalygin, A. Vedyayev & V. Ivanov "Metamaterials with tunable negative refractive index fabricated from nanoamorphous ferromagnetic microwires and Magnus optical effect" // NanoScience+Engineering conference -part of SPIE Optics+Photonics 2008, "Metamaterials: Fundamentals and

Applications" (12-14 August 2008, San Diego California, USA). Book of Abstracts, p. 19.

28. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin, A. Vedyayev & V. Ivanov "Metamaterials

from amorphous ferromagnetic microwires: interaction between microwires" // Moscow International Symposium on Magnetism (25-30 June 2008, Moscow). Book of Abstract, P. 112.

29. A. Ivanov, V. Galkin, V. Ivanov, D. Petrov, K. Rozanov, A. Shalygin & S.

Starostenko "Metamaterials fabricated of amorphous ferromagnetic microwires: negative microwave permeability" // Moscow International Symposium on Magnetism (25-30 June 2008, Moscow). Book of Abstract, P. 135.

30. A.B. Иванов "Метаматериалы из аморфных ферромагнтиных

микропроводов с отрицательным показателем преломления" // Международная научная конференция "Ломоносов 2008"(7-11 апреля 2008, Москва). Сборник тезисов докладов.

31. A. Ivanov «Tunable metamaterials fabricated from amorphous ferromagnetic

microwires» // "Fifth Kurchatov conference of young scientists" (19-21 November 2007, Moscow). Book of Abstracts, p. 85.

32. А. В. Иванов «Метаматериалы из ферромагнитных микропроводков:

отрицательный показатель преломления и оптический эффект Магнуса» // Международная научная конференция "Ломоносов 2007"(7-11 апреля 2007, Москва). Сборник тезисов докладов, С. 247-249.

33. А. В. Иванов «Взаимодействие поляризованных электромагнитных волны с

бигиротропной левой средой» // Международная научная конференция "Ломоносов 2006"(7-11 апреля 2006, Москва). Сборник тезисов докладов, С. 201-202.

34. А. В. Иванов, О. А. Котельникова, А. В. Ведяев «Поляризованные

электромагнитные волны в бигиротропном левом материале» // XX международная конференция «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (12-16 июня 2006 г.), Сборник трудов, С. 277-278.

35. A. Ivanov, О. Kotelnikova, V. Ivanov «Gyrotropic left-handed media: Energy flux

and circular dichroism» // Moscow International Symposium on Magnetism (2530 June, 2005). Book of Abstracts, P. 425.

Подписано в печать 01.11.2012 Формат 60x88 1/16. Объем 1.0 п.л. Тираж 75 экз. Заказ № 1258 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Введение

Литературный обзор.

Глава 1. Эффект Фарадея и оптический эффект Магнуса в метаматериалах с отрицательным показателем преломления.

1.1. Эффект Фарадея и поток энергии в бигиротропной среде с отрицательным показателем преломления.

1.2. Метаматериалы, изготовленные из аморфных ферромагнитных микропроводов.

1.3. Оптический эффект Магнуса.

1.4. Выводы к главе 1.

Глава 2. Взаимодействие электромагнитной волны с периодической плазмонной структурой.

2.1. Введение.

2.2. Коэффициенты отражения и прохождения в цепочке плотно прилегающих серебряных наноцилиндров.

2.3. Выводы.

Глава 3 Гигантские флуктуации электромагнитного поля периодических плазмонных структур и оптические сенсоры.

3.1. Усиление напряженности электрического поля в зазоре между наноцилиндрами.

3.2. Коэффициент усиления рамановского рассеяния в системе наноцилиндров.

3.3. Возможность использования плазмонной структуры в качестве подложки для работы сенсора по обнаружению молекулярных комплексов.

3.4. Выводы к главе 3.

Одним из актуальных направлений современной физики является направление, связанное с исследованием метаматериалов. Метаматериал - это искусственно созданная система из микроструктурных элементов различной формы, подобранных так, чтобы материал проявлял заданные физические свойства. Направленное на метаматериал коротковолновое излучение вызывает вторичную резонансную электромагнитную волну, и в результате может возникнуть эффект, при котором электромагнитная волна распространяется в одну сторону, а индуцированное поле - в другую. Такие метаматериалы относятся к материалам с отрицательным показателем преломления, которым в последнее время уделяется всё большее внимание [1-4]. Терминологически существует несколько вариантов названия таких метаматериалов: среды с отрицательной фазовой скоростью, среды с отрицательным коэффициентом преломления, обратные среды, дважды отрицательные среды (и диэлектрическая, и магнитная проницаемости отрицательны), среды с обратной волной. В дальнейшем для сред с отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями будем использовать термин «метаматериалы». В метаматериалах некоторые эффекты, такие, как преломление света, эффект Доплера, Черенкова-Вавилова, эффект Гуса-Ханкена меняются на обратные, по отношению к средам с положительным показателем преломления [5,6]. Благодаря этому, метаматериалы имеют большие перспективы с точки зрения практических применений, но остаётся очень много невыясненных вопросов, связанных с проблемой изготовления подобных сред. Помимо сред с отрицательным показателем преломления, в которых отрицательны и диэлектрическая и магнитная проницаемости, в настоящее время представляют интерес и наноструктурные композиты, состоящие из металлических элементов в диэлектрической матрице. Такие наноструктуры имеют отрицательную диэлектрическую проницаемость в силу оптических свойств металла, в то время как магнитная проницаемость может оставаться положительной. Они проявляют 4 с 1 интересные оптические свойства в видимой и ближней инфракрасной (ИК) области электромагнитного спектра благодаря возбуждению поверхностных плазмонных мод. Такие материалы на основе металл-диэлектрик будем называть «плазмонные структуры».

Цель диссертационной работы заключалась в теоретическом исследовании эффекта Фарадея, распространения энергии и построении теории оптического эффекта Магнуса в средах с отрицательным показателем преломления, построении модели метаматериала из ферромагнитных микропроводов, а также в изучении периодических плазмонных структур, в частности аномального прохождения электромагнитной волны через цепочку металлических наноцилиндров, и усиления в таких структурах напряженности локального электрического поля. Диссертация состоит из введения, в котором сформулированы цели работы и описана структура работы, литературного обзора, в котором приведены основные труды, в которых теоретически и экспериментально изучались свойства метаматериалов и плазмонных структур, а также трёх глав, в которых содержатся оригинальные результаты, полученные автором диссертации, четырёх приложений и заключения.

Основные выводы

1. Аналитические расчёты для частот плазмонных резонансов, на которых происходит мультипликативное усиление напряженности локального электрического поля, в точности совпадают с результатами численного моделирования на примере плотноупакованных цилиндрических димеров с диаметром цилиндров D=10 нм, и расстоянием между цилиндрами 8 = Ihm.

2. Согласно результатам численного моделирования, с уменьшением расстояния между цилиндрами 8 и диаметра цилиндров D (при фиксированном отношении £/£>=1/10), усиление напряженности локального электрического поля в центральной точке зазора между цилиндрами увеличивается.

3. При увеличении диаметра цилиндров (при фиксированном расстоянии между ними 8 = 1 нм), количество резонансных частот увеличивается, они сдвигаются в область более низких частот.

4. При фиксированном расстоянии между цилиндрами £=1нм, усиление напряженности локального электрического поля в центральной точке зазора между цилиндрами достигает своего максимума при параметрах системы: D=16hm, £=1нм

5. На резонансных частотах максимальная напряженность электрического поля концентрируется у поверхности цилиндров.

6. Варьируя диаметры цилиндров О и расстояние между ними 5, можно изменять положение частот плазмонного резонанса. Таким образом, рассматриваемая плазмонная структура является управляемой.

7. Подобраны такие геометрические параметры цилиндров, при которых спектры плазмонного резонанса в рассматриваемой модели совпадают со спектрами рамановского рассеяния тринитротолуола.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе проведено теоретическое исследование метаматериалов с отрицательным показателем преломления, а также периодических плазмонных структур. В Главе 1 данной работы теоретически изучен эффект вращения плоскости поляризации электромагнитной волны в гиротропных средах с отрицательным показателем преломления с учётом периодичности. Было показано, что угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны в таких средах с одноосной анизотропией увеличивается при приближении модуля волнового вектора к0 к значению <?/2 = тт/а (1.16), что сходно с резонансным взаимодействием электромагнитной волны с периодической гиротропной средой. При значениях волнового вектора к0 = +ш,) периодический гиротропный вклад меняет знак, а в точках с координатой г = = Иа/2 периодический вклад в эффект Фарадея исчезает.

В рамках исследования распространения энергии в таких средах рассчитан вектора Умова-Пойнтинга. Было показано, что в гиротропных средах с отрицательным показателем преломления он противонаправлен волновому вектору при условии |т0|<1, как и в негиротропных средах с отрицательным показателем преломления.

Теоретически предсказана возможность создания метаматериала из параллельных ферромагнитных микропроводов, проявляющего отрицательные магнитную и диэлектрическую проницаемости в СВЧ диапазоне электромагнитного спектра. Оптическую неоднородность в предложенном метаматериале можно создавать, помещая его в неоднородное внешнее магнитное поле. Стоит отметить, что теоретически предсказанная возможность создания метаматериала из аморфных ферромагнитных микропроводов состава Со-Ре-Сг-В-^ экспериментально подтверждена в работе [29].

Рассчитан оптический эффект Магнуса в метаматериалах из ферромагнитных микропроводов. Было показано, что оптический эффект Магнуса аномален в неоднородных средах с отрицательным показателем преломления, как аномальны эффекты Доплера, Черенкова-Вавилова, Гуса-Ханкена, а также преломления и давления света в однородных средах с отрицательным показателем преломления.

Глава 2 данной работы была посвящена периодическим плазмоным структурам. Была построена двумерная (20) численная модель взаимодействия электромагнитной ТЕ-волны с цепочкой серебряных наноцилиндров в оптическом диапазоне частот. Моделирование проводилось с использованием программного пакета «Комсол» (Согп5о1 МиШрЬуБЮз). Рассчитаны частотные зависимости коэффициентов отражения, прохождения, а также поглощения ТЕ-волны, проходящей через систему серебряных наноцилиндров методом КСВН. Было показано, что коэффициенты отражения, прохождения, а также поглощения ТЕ-волны немонотонно зависят от частоты в связи с возникновением в системе коллективных плазмонных резонансов. При уменьшении характерного диаметра наноцилиндров в цепочке, расстояния между резонансными максимами в коэффициенте отражения становятся ближе друг к другу и их число сокращается. Напряженность электрического поля концентрируется в пространстве между цилиндрами, много меньшем характерного размера цилиндров в условиях резонанса, что согласуется с аналитическими выкладками. Последовательность резонансных частот имеет свое предельное значение на частоте, при которой диэлектрическая проницаемость металла обращается в нуль.

В Главе 3 был проведен численный расчёт напряженности локального электрического поля в системе попарно расположенных серебряных цилиндров с разными диаметрами О и расстоянием между ними 8. Было показано, что в условиях резонанса, в такой модели происходит мультипликативное усиление напряженности локального электрического поля в зазоре между цилиндрами по сравнению с напряженностью падающего электрического поля. Аналитические расчёты для частот плазмонных резонансов, на которых происходит мультипликативное усиление напряженности локального электрического поля в точности совпадают с результатами численного моделирования на примере плотноупакованных цилиндрических димеров с диаметром цилиндров 0=10 нм, и расстоянием между цилиндрами £ = 1нм (рис.3.1.3). Согласно результатам численного моделирования, с уменьшением расстояния между цилиндрами 5 и диаметра цилиндров £) (при фиксированном отношении ¿>/£>=1/10), усиление напряженности локального электрического поля в центральной точке зазора между цилиндрами увеличивается. При увеличении диаметра цилиндров (при фиксированном расстоянии между ними 8 = 1 нм), количество резонансных частот увеличивается, они сдвигаются в область более низких частот. При фиксированном расстоянии между цилиндрами £=1нм, усиление напряженности локального электрического поля в центральной точке зазора между цилиндрами достигает своего максимума при диаметре цилиндров /ш, соответствующих глубине скин-слоя в серебре (рис.3.1.4).

Был рассчитан коэффициент в усиления рамановского рассеяния в такой плазмонной структуре (рис.3.1.1). Было показано, что на резонансных частотах максимальная напряженность электрического поля концентрируется у поверхности цилиндров, что необходимо учитывать. Показано, что варьируя диаметры цилиндров О и расстояние между ними 5, можно изменять положение частот плазмонного резонанса. Таким образом, рассматриваемая плазмонная структура является управляемой.

Предложена возможность использования такой плазмонной структуры в качестве подложки для работы сенсора по обнаружению молекулярных комплексов на примере тринитротолуола. Подобраны такие геометрические параметры цилиндров, при которых спектры плазмонного резонанса в рассматриваемой модели совпадают со спектрами рамановского рассеяния тринитротолуола (рис.3.3.1). В этом случае происходит мультипликативное усиление рассеяния. Плазмонные сенсоры позволяют распознавать вещества, определяя наличие в веществе тех или иных молекул. Данный метод детектирования молекул может использоваться в широком спектре прикладных задач: в области медицины и здравоохранения для идентификации многих лекарственных препаратов, таких как, аспирин, ацетаминофен и др.; в области безопасности, в военных целях для определения некоторых взрывчатых веществ, таких, как гексоген, тринитротолуол и др.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Российских, а также международных симпозиумах и конференциях.

В заключение автор сердечно благодарит Ведяева Анатолия Владимировича, Сарычева Андрея Карловича, Шалыгина Александра Николаевича за руководство и многочисленные беседы, стимулирующие выполнение поставленных задач.

1. Tretyakov S., Nefedov 1., Sihvola A., Maslovski S. & Simovski C. "Waves and energy in chiral nihility" // Electromagn. Waves and Appl. (2003) V.17, №.5, P.695-706.

2. Pendry J. "Chiral route to negative refraction" // Science (2004) V. 306, № 5700, P. 1353-1355.

3. Ramakrishna S. "Physics of negative refractive index materials" // Rep. Prog. Phys. (2005) V. 68, P. 449-521.

4. Блиох К. Ю., Блиох Ю. П. «Что такое левые среды и чем они интересны?» // УФН (2004) Т. 174, № 4, С. 439-447.

5. Веселаго В. Г. «Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями е и цч> // УФН (1967) Т. 92, №7, С.517-526.

6. Веселаго В. Г. «.»//ЖЭТФ (1966), Т. 52, С. 1025.

7. Мандельштам Л. И. «Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике» // Наука. М. (1972), С. 433.

8. Schuster A. "An introduction to the theory of optics", Edward Arnold & Co.L. (1928).

9. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Электродинамика сплошных сред», М. (1982) С.398.

10. Bayindir М., Aydin К., Ozbay Е., Markos Р. & Soukoulis С. "Transmission properties of composite metamaterials in free space" // Appl. Phys. Lett. (2002) V. 81, P. 120-122.

11. Cummer S. & Bogdan-Ioan Popa "Wave fields measured inside a negative refractive index metamaterial" // Appl. Phys. Lett. (2004) V. 85, P. 4564-4566.

12. Мандельштам Л. И. «Полное собрание трудов», Т.5. АН СССР. М., 1950. С. 461.

13. Мандельштам, Л.И. «Полное собрание трудов», Т.2, АН СССР. М., 1947. С.334.

14. Веселаго В. Г. «О свойствах веществ с одновременно отрицательными значениями диэлектрической и магнитной проницаемостей» // ФТТ (1966) Т. 8, № 12, С. 3571-3573.

15. Гуляев Ю. В., Лагарьков А. Н., Никитов С. А. «Метаматериалы: фундаментальные исследования и перспективные применения» // Вестник РАН (2008), Т. 78, № 5, С. 438-457.

16. Marques R., Martin F. & Sorolla M., Metamaterials with negative parameters. Wiley-Interscience, New Jersey, Canada, 2007.

17. Силин P. А. «О средах с необычными квазиоптическими свойствами» // Электронный журнал «Исследовано в России» (2002) С. 948-951.

18. Pendry .Т., Holden A., Stewart W. & Youngs I. "Extremely low frequency plasmons in metallic microstructures" // Phys. Rev. Lett. (1996) V. 76, P. 4773-4776.

19. Pendry J., Holden A., Robbins D. & Stewart W. "Magnetism from conductors, and enhanced non-linear phenomena" // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. (1999) V. 47, P.2075-2084.

20. Лагарьков A. H. «Электрофизические свойства перколяционных систем», М., ИВТАН, 1990.

21. Smith D., Padilla W., Vier D., Nemat-Nasser S. & Schultz S. "Composite medim with simultaneously negative permeability and permittivity" // Phys. Rev. Lett.2000) V. 84, P.4184-4187.

22. Shelby R., Smith D. & Schultz S. "Experimental verification of a negative index of refraction" // Science (2001) V. 292, P.77-79.

23. Shelby R., Smith D., Nemat-Nasser S. & Schultz S. "Microwave transmission through a two-dimentional, isotropic, left-handed metamaterial" // App.Phys. Lett.2001) V. 78, P.489-491.

24. Li K., McLean J., Gregor R., Parazzoli C. & Tanielian M. "Free-space focused-beam characterization of left-handed materials" // Appl. Phys. Lett. (2003) V. 82, P.2535-2537.

25. Smith D., Pendry J. & Wiltshire M. "Meta-materials and negative refractive index" // Science (2004) V. 305, P. 788-792.

26. Wu D., Fang N., Sun C., Zhang X., Padilla W., Basov D., Smith D. & Schultz S. "Terahertz plasmonic high pass filter" // Appl. Phys. Lett. (2003) V. 83, P.201-203

27. Jen T., Padilla W., Fang N., Vier D., Smith D., Pendry J., Basov D. & Zhang X. "Terahertz magnetic response from artificial materials" // Science (2004) V. 303, P. 1494-1496.

28. Linden S., Enkrich C., Wegener M., Zhou J., Koschny T. & Soukoulis C. "Magnetic response of metamaterials at 100 terahertz" // Science (2004) V. 306, P.1351-1353.

29. Ivanov A., Galkin V., Ivanov V., Petrov D., Rozanov K., Shalygin A., Starostenko S. "Metamaterials fabricated of amorphous ferromagnetic microwires: negative microwave permeability" // Solid State Phenomena (2009) V. 152-153, P. 333-336.

30. Soukolis C., Linden S., Wegener M. "Negative refractive index at optical wavelengths" // Science (2007) V. 315, P. 47-49.

31. Yuan H., Chettiar U., Cai W., Kildishev A., Boltasseva A., Drachev V. & Shalaev V. "A negative permeability material at red light" // Optics Express (2007) V. 15, P. 1076-1083.

32. Podolskiy V., Sarychev A.K. & Shalaev V. "Plasmon modes in metal nanowires and left-handed materials" // Journal of Nonlinear Optical Physics& Materials (2002) V. 11, № 1, P. 65-74

33. Panina L., Grigorenko A. & Makhnovskiy D. "Optomagnetic composite medium with conducting nanoelements" // Phys. Rev. B. (2002) V. 66, P. 155411.

34. Podolskiy V., Sarychev A.K. & Shalaev V. "Plasmon modes and negative refraction in metal nanowire composites" // Opt. Express (2003) V. 11, P. 735-745.

35. Shalaev V., Cai W., Chettiar U., Yuan H., Sarychev A.K., Drachev V. & Kildishev A. "Negative index of refraction in optical metamaterials" // Opt. Lett. (2005) V.30, P. 3356-3358.

36. Zhang S., Fan W., Panoiu N., Malloy K., Osgood R. & Brueck S. "Experimental demonstration of near-infrared negative-index metamaterials" // Phys. Rev. Lett. (2005) V.95, P. 137404.

37. Genov D., Wei A., Sarychev A. & Shalaev V. "Resonant field enhancements from metal nanoparticles array" // Nano Lett. (2004) V. 4, №1, P. 153-158.j

38. Faraday M., "Experimental relations of gold (and other metals) to light" // Philos. Trans. R. Soc. London (1857) V. 147, P. 145-181.

39. Murray W. & Barnes W. "Plasmonic materials" // Adv. Mater. (2007) V. 19, P. 3771-3782.

40. Сарычев А. К. «Метаматериалы революция в оптике и плазмонике» // доклад РОСНАНО, 2010.

41. Fleischmann М., Hendra Р. & McQuillan A. "Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode" // Chem. Phys. Lett. (1974) V.26, P. 163-166.

42. Albrecht M. & Creighton J. "Anomalously intense Raman spectra of pyridine at a silver electrode" // J. Am. Chem. Soc. (1977) V. 99, P.5215-5219.

43. Van Duyne R. "Laser excitation of Raman scattering from absorbed molecules on electrode surfaces" // Chem. Biochem. Appl. Lasers (1979) V. 4, P. 101-185.

44. Kerker M. "Estimation of surface-enhanced Raman scattering from surface-averaged electromagnetic intensities" // J. Colloid. Interf. Sci. (1987) V. 118, P. 417421.

45. Yuen C., Zheng W. & Huang Z. "Surface-enhanced raman scattering: principles, nanostructures, fabrications, and biomedical applications" // Journal of Innovative Optical Health Sciences (2008) V.l, №.2, P. 267-284.

46. Pavan Kumar G. "Plasmonic nano-architectures for surface enhanced Raman scattering: a review" // Journal of Nanophotonics (2012) V.6, P.064503(1)-064503(20).

47. Памятных E.A., Туров E.A. «Основы электродинамики материальных сред в переменных и неоднородных полях», Наука, М. 2000.

48. Камке Э. «Справочник по дифференциальным уравнениям», Наука, М. 1971. С.576.

49. Mackay Т., Lakhtakia A. "Negative phase velocity in a uniformly moving, homogeneous, isotropic, dielectric-magnetic medium" // J. Phys. A: Math. Gen. (2004) V. 37. P. 5697-5711.

50. Wheeler M., Aitchison J., Mojahedi M. "Coated nonmagnetic spheres with a negative index of refraction at infrared frequencies" // Phys. Rev. B. (2006) V.73, №. 4, P. 045105-045112.

51. Pimenov A., Loidl A., Przyslupski P. & Dabrowski B. "Negative refraction in ferromagnet-superconductor superlattices" // Phys. Rev. Lett. (2005) V. 95, P. 247009-247013.

52. Лагарьков A. H., Кисель В. H. «Электродинамические свойства простых тел из материалов с отрицательными магнитной и диэлектрической проницаемостями» // ДАН (2001), Т. 37, №1, С. 40-43.

53. Maslovski S., Tretyakov S. & Belov P. "Wire media with negative effective permittivity: a quasi-static model" // Micr. Opt. Tech. Lett. (2002) V. 35, №.1, P.47-51.

54. Garcia N., Ponizovskaia E. "Low-loss left-handed materials using metallic magnetic cylinders" //Phys. Rev. E. (2005) V. 71, P. 046611-046618.

55. He Y., He P., Harris V. & Vittoria C. "Role of ferrites in negative index metamaterials" // IEEE Trans, on Magnetics (2006) V. 42, №. 10, P. 2852-2854.

56. Dewar G. "A thin wire array and magnetic host structure with n<0" // J. Appl. Phys. (2005) V. 97, P.10Q101.

57. Вашковский А. В., JIokk В. Г. «Возникновение отрицательного коэффициента преломления при распространении поверхностной магнитостатической волны через границу раздела сред феррит-феррит-диэлектрик-металл» // УФН (2004) Т. 174, №. 6, С.657-662.

58. Бучельников В.Д., Риве В.В. «Антиферромагнетик с магнитоэлектрическим эффектом как пример «левой среды» // Письма в ЖЭТФ (2006) Т.84, №. 7, С. 470-474.

59. Zhukov A., "Design of the magnetic properties of fe-rich, glass-coated microwires for technical application" // Adv. Funct. Mater. (2006) V. 16, № 5, P.675-680.

60. Sarychev A. K. & Shalaev V. "Electromagnetic field fluctuations and optical nonlinearities in metal-dielectric composites" // Physics Report (2000) V. 335, P.275-371.

61. Reynet О., Adenot A.-L., Deprot S. & Acher О. "Effect of the magnetic properties of the inclusions on the high-frequency dielectric response of diluted coposites" // Phys. Rev. B. (2002) V.66 № 9, P. 094412-094421.

62. А. В. Иванов, A. H. Шалыгин, А. В. Ведяев, В. А. Иванов «Оптический эффект Магнуса в метаматериалах из ферромагнитных микропроводов» // Письма в ЖЭТФ (2007) Т. 85, № 11, С. 694-698.

63. Зельдович Б.Я., Либерман B.C. «Поворот плоскости меридионального луча в градиентном световоде за счёт циркулярности поляризации» // Квантовая электроника (1990) Т. 17, С. 493-494

64. Дугин А.В., Зельдович Б.Я., Кундикова Н.Д., Либерман B.C. «Оптический аналог эффекта Магнуса» // ЖЭТФ (1991) Т.100, С. 1474-1482.

65. Садыков Н.Р «Влияние слабого изгиба световода на параметры поля излучения» // Квантовая электроника» (1993) Т.20, С. 1137-1140.

66. Блиох К. Ю., Блиох Ю. П. «Оптический эффект Магнуса как следствие анизотропии фазы Берии» // Письма в ЖЭТФ (2004) Т. 79, № 11, С. 647-650.

67. Garnett J.C.M. "Colours in metal glasses and in metallic films" // Philos. Trans. R. Soc. bond. (1904) V. 203, P.385-420.

68. Kreibig U. & Vollmer M. // "Optical properties of metal clusters" (1994) Springer, Berlin.

69. Brongersma M., Hartman J. & Atwater H. "Electromagnetic energy transfer and switching in nanoparticle chain arrays below the diffraction limit" // Phys. Rev. B. (2000) V.62, P. R16356-R-16359.

70. Burin A., Ratner M., Cao H., Schatz G. & Chang R. "Effect of ordering on random laser efficiency" // J. Opt. Soc. Am. B. (2004) V.21, P. 121-131.

71. Quidant R., Girard C., Weeber J. & Dereux A. "Tailoring the transmittance of integrated optical waveguides with short metallic nanoparticle chains" // Phys. Rev. B. (2004) V. 69, P. 085407-085414.

72. Simovski C., Viitanen A. & Tretyakov S. "Resonator mode in chains of silver spheres and ist possible application" // Phys. Rev. E. (2005) V. 72, P. 066606066616.

73. Marier C., Kik P., Atwater H., Sheffer M., Harel E„ Koel B. & Requicha A. "Local detection of electromagnetic energy transport below the diffraction limit in metal nanoparticle plasmon waveguides" // Nat. Mat. (2003) V. 2, P. 229-232.

74. Alu, A. & Engheta N. "Theory of linear chains of metamaterial/plasmonic particles as subdiffraction optical nanotransmission lines" // Phys. Rev. B. (2006) V. 74, P. 205436-205454.

75. Markel V. & Sarychev A. "Propagation of surface plasmons in ordered and disordered chains of metal nanospheres" // Phys. Rev. B. (2007) V. 75, P. 085426085437.

76. Hadad Y. & Steinberg B. "Green's function theory for infinite and semi-infinite particle chains" // Phys. Rev. B. (2011) V. 84, P. 125402-125413.

77. Auguie B. & Barnes W. "Collective resonances in gold nanoparticle arrays" // Phys. Rev. Lett. (2008) V. 101, P. 143902-143906.

78. Sarychev A. & Shalaev V. "Electrodynamics of metamaterials", World Scientific Publishing, Singapore, 2007.

79. Ivanov A., Shalygin A., Lebedev V., Vorobev P., Vergiles S. & Sarychev A.K "Plasmonic extraordinary transmittance in array of metal nanorods" // Appl. Phys. A (2011 ) DOI 10.1007/s00339-011 -6731 -3

80. Johnson P. & Christy R. "Optical constants of the noble metals" // Phys. Rev. B. (1972) V. 6, P. 4370-4379.

81. Stiles P., Dieringer J., Shah N. & Duyne R. "Surface-Enhanced Raman Spectroscopy" // Annu. Rev. Anal. Chem. (2008) P. 601-626.

82. Short B. "Ultraviolet resonance Raman enhancements in the detection of explosives" // Ph.D. thesis (2009) Monterey, California, P. 1-82.

83. ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА В НАУЧНЫХ ЖУРНАЛАХ

84. A, Ivanov, A. Shalygin, P. Vorobev, S. Vergeles & А.К. Sarychev "Plasmon excitation in array of adjoining meal nanorods: field enhancement and optical sensing" // IEEE, Days on Diffraction 2012 Proceedings (2012), P. 1-5 accepted.

85. A. Ivanov, A. Shalygin & A. K. Sarychev "TE-wave propagation through 2D array of metal nanocylinders" // Solid State Phenomena (2012) V. 190, P. 577-580.

86. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Lebedev, P. Vorobev, S. Vergiles & A. K. Sarychev "Plasmonic extraordinary transmittance in array of metal nanorods" // Appl. Phys. A (2011) DOI 10.1007/s00339-011-6731-3, INVITED PAPER, 7 pages.

87. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin, A. Vedyayev & V. Ivanov "Metamaterials from amorphous ferromagnetic microwires: interaction between microwires" // Solid State Phenomena (2009) V. 152-153, P. 357-360.

88. A. Ivanov, V. Galkin, V. Ivanov, D. Petrov, K. Rozanov, A. Shalygin & S. Starostenko "Metamaterials fabricated of amorphous ferromagnetic microwires: negative microwave permeability" // Solid State Phenomena (2009) V. 152-153, P. 333-336.

89. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin, A. Vedyayev & V. Ivanov "Metamaterials with tunable negative refractive index fabricated from amorphous ferromagnetic microwires: magnetostatic interaction between microwires" // PIERS Proceedings (2009) P. 1675-1678.

90. А. В. Иванов, A. H. Шалыгин, A.B. Ведяев, В. А. Иванов «Управляемые метаматерналы из аморфных ферромагнитных микропроводов» // Сборник трудов. 5-я Курчатовская молодежная научная школа (2008). С. 244-251.

91. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin , A. Vedyayev & V. Ivanov "Metamaterials with tunable negative refractive index fabricated from nanoamorphous ferromagnetic microwires and Magnus optical effect" // SPIE Proceedings (2008) V. 7029, P. 70291H-7034H.

92. А. В. Иванов, А. Н. Шалыгин, А. В. Ведяев, В. А. Иванов «Оптический эффект Магнуса в метаматериалах из ферромагнитных микропроводов» // Письма в ЖЭТФ (2007) Т. 85, № 11, С. 694-698.

93. А. В. Иванов, О. А. Котельникова, А. В. Ведяев, В. А. Иванов «Вращение плоскости поляризации электромагнитной волны и поток энергии в бигиротропной левой среде» // Вестник Московского Университета (2006), № 4, С. 25-29.

94. A. Ivanov, О. Kotelnikova, A. Vedyayev & V. Ivanov "Gyrotropic left-handed media: energy flux and circular dichroism" // JMMM (2006) V. 300, P.67-69.

95. ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА В ТЕЗИСАХ ДОКЛАДОВ НАУЧНЫХ1. КОНФЕРЕНЦИЙ

96. А. В. Иванов, A. H. Шалыгин, А. К. Сарычев «Распространение ТМ-волны в неоднородной среде, состоящей из цепочки ианочастиц» // Двенадцатая ежегодная научная конференция ИТПЭ РАН (Москва 4-7 апреля 2011 г.). Сборник тезисов докладов, С. 20.

97. A. Ivanov, A. Shalygin & А. К. Sarychev "TM-wave propagation into inhomogeneous medium consisting of 2D array of nanoparticle" // Moscow International Symposium on Magnetism MISM'2011 (21-25 August, Moscow, Russia). Book of Abstracts. P. 94.

98. A. Ivanov, A. Shalygin & A.K. Sarychev "TM-wave propagation into inhomogeneous medium consists of array of nanoparticles" // SPIE Optics+Photonics 2010 (San Diego, CA, USA). Book of Abstracts, paper 7757-91.

99. A. Ivanov, A. Shalygin & A. K. Sarychev "Plasmonic extraordinary transmittance" // Days on diffraction'2010 (Saint Petersburg, June 8-11, 2010), Book of Abstracts, p. 109.

100. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin, K. Rozanov & A.V. Vedyayev "Metamaterials with tunable negative refractive index fabricated from amorphous ferromagnetic microwires: magnetostatic interaction between microwires" // Progress In

101. Electromagnetic Research Symposium (PIERS 2009) (18-21 August 2009, Moscow), Book of Abstracts.

102. A. Ivanov "Tunable metamaterials from amorphous ferromagnetic microwires: Interaction between microwires" // Sixth Kurchatov conference of young scientists (19-21 November 2008, Moscow). Book of Abstracts, p. 188.

103. A. Ivanov, A. Shalygin, V. Galkin, A. Vedyayev & V. Ivanov "Metamaterials from amorphous ferromagnetic microwires: interaction between microwires" // Moscow International Symposium on Magnetism (25-30 June 2008, Moscow). Book of Abstract, P. 112.

104. A.B. Иванов "Метаматериалы из аморфных ферромагнтиных микропроводов с отрицательным показателем преломления" // Международная научная конференция "Ломоносов 2008"(7-11 апреля 2008, Москва). Сборник тезисов докладов.

105. A. Ivanov «Tunable metamaterials fabricated from amorphous ferromagnetic microwires» // "Fifth Kurchatov conference of young scientists" (19-21 November 2007, Moscow). Book of Abstracts, p. 85.

106. А. В. Иванов «Метаматерналы из ферромагнитных микропроводков: отрицательный показатель преломления и оптический эффект Магнуса» // Международная научная конференция "Ломоносов 2007"(7-11 апреля 2007, Москва). Сборник тезисов докладов, С. 247-249.

107. А. В. Иванов «Взаимодействие поляризованных электромагнитных волны с бигиротропной левой средой» // Международная научная конференция "Ломоносов 2006"(7-11 апреля 2006, Москва). Сборник тезисов докладов, С. 201-202.

108. А. В. Иванов, О. А. Котельникова, А. В. Ведяев «Поляризованные электромагнитные волны в бигиротропном левом материале» // XX международная конференция «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (12-16 июня 2006 г.), Сборник трудов, С. 277-278.

109. A. Ivanov, О. Kotelnikova, V. Ivanov «Gyrotropic left-handed media: Energy flux and circular dichroism» // Moscow International Symposium on Magnetism (25-30 June, 2005). Book of Abstracts, P. 425.£