Двухслойные графеновые гетероструктуры для замедления волн: операторный метод в применении к решению волноводной задачи

  • Марина Алексеевна Яковлева Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь; Национальный центр научных исследований Университета Париж-Сакле, бул. Тома Гобера, 10, 91120, г. Палезо, Франция https://orcid.org/0000-0002-8718-1080
  • Константин Германович Батраков Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, 634050, г. Томск, Россия https://orcid.org/0000-0002-9073-239X
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-1-73-82

Аннотация

Замедление фазовой скорости света в среде имеет различные применения. Среди них – генерация электромагнитного излучения с использованием когерентного черенковского механизма. В то же время существует потребность в компактных источниках терагерцового излучения. Благодаря уникальным свойствам графена гетероструктуры, состоящие из чередующихся слоев графен /диэлектрик, могут работать в качестве среды для этой цели. При помощи операторного метода получены коэффициенты замедления и распространения для мод, поддерживаемых в двухслойной графеновой структуре. Операторный подход позволяет использовать бескоординатные обозначения и, следовательно, работать со сколь угодно сложными гетероструктурами (включающими, например, анизотропные слои). Изучена зависимость степени замедления волн в графеновых сэндвич-структурах от межслойного расстояния и величины химического потенциала графена. Полученные результаты открывают перспективы для создания новых источников терагерцового излучения.

Биографии авторов

Марина Алексеевна Яковлева, Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь; Национальный центр научных исследований Университета Париж-Сакле, бул. Тома Гобера, 10, 91120, г. Палезо, Франция

стажер младшего научного сотрудника лаборатории наноэлектромагнетизма Института ядерных проблем БГУ, аспирантка объединенной лаборатории микро- и нанооптики Центра нанонауки и нанотехнологий Национального центра научных исследований Университета Париж-Сакле. Научный руководитель – К. Г. Батраков

Константин Германович Батраков, Институт ядерных проблем Белорусского государственного университета, ул. Бобруйская, 11, 220030, г. Минск, Беларусь; Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь; Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, 634050, г. Томск, Россия

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник лаборатории наноэлектромагнетизма Института ядерных проблем БГУ, доцент кафедры ядерной физики физического факультета БГУ, старший научный сотрудник лаборатории терагерцовых исследований Томского государственного университета

Литература

  1. Lu H, Zeng C, Zhang Q, Liu X, Hossain MdM, Reineck P, et al. Graphene-based active slow surface plasmon polaritons. Scientifc reports. 2015;5:8443. DOI: 10.1038/srep08443.
  2. Krauss TF. Why do we need slow light? Nature Photonics. 2008;2(8):448 – 450. DOI: 10.1038/nphoton.2008.139.
  3. Batrakov KG, Kuzhir PP, Maksimenko SA. Radiative instability of electron beams in carbon nanotubes. Proceedings of SPIE. Nanomodeling II. 2006;6328:63280Z. DOI: 10.1117/12.678029.
  4. Batrakov KG, Maksimenko SA, Kuzhir PP, Thomsen C. Carbon nanotube as a Cherenkov-type light emitter and free electron laser. Physical Review B. 2009;79(12):125408. DOI: 10.1103/PhysRevB.79.125408.
  5. Batrakov K, Maksimenko S. Graphene layered systems as a terahertz source with tuned frequency. Physical Review B. 2017; 95(20):205408. DOI: 10.1103/PhysRevB.95.205408.
  6. Lewis RA. A review of terahertz sources. Journal of Physics D: Applied Physics. 2014;47(37):374001. DOI: 10.1088/0022-3727/47/37/374001.
  7. Turukhin AV, Sudarshanam VS, Shahriar MS, Musser JA, Ham BS, Hemmer PR. Observation of ultraslow and stored light pulses in a solid. Physical Review Letters. 2002;88(2):023602. DOI: 10.1103/PhysRevLett.88.023602.
  8. Chang-Hasnain CJ, Ku P-C, Kim J, Chuang S-L. Variable optical buffer using slow light in semiconductor nanostructures. Proceedings of the IEEE. 2003;91(11):1884 –1897. DOI: 10.1109/JPROC.2003.818335.
  9. Gan Q, Fu Z, Ding YJ, Bartoli FJ. Ultrawide-bandwidth slow-light system based on THz plasmonic graded metallic grating structures. Physical Review Letters. 2008;100(25):256803. DOI: 10.1103/PhysRevLett.100.256803.
  10. Yamamoto Y, Slusher RE. Optical processes in microcavities. In: Burstein E, Weisbuch C, editors. Confned electrons and photons. New physics and applications. Boston: Springer; 1995. p. 871– 878. (NSSB; volume 340). DOI: 10.1007/978-1-4615-1963-8.
  11. Yanik MF, Fan S. Stopping light all optically. Physical Review Letters. 2004;92(8):083901. DOI: 10.1103/PhysRevLett.92.083901.
  12. Xia F, Sekaric L, Vlasov Y. Ultracompact optical buffers on a silicon chip. Nature Photonics. 2007;1(1):65–71. DOI: 10.1038/nphoton.2006.42.
  13. Hybrid and coupled photonic system between nanoparticle and integrated microresonator. Chapter 1. In: Yi YS, editor. Integrated nanophotonic resonators. Fundamentals, devices, and applications. New York: Jenny Stanford Publishing; 2015. p. 15– 44.
  14. Batrakov K, Kuzhir P, Maksimenko S, Paddubskaya A, Voronovich S, Lambin Ph, et al. Flexible transparent graphene/polymermultilayers for effcient electromagnetic feld absorption. Scientifc Reports. 2014;4:7191. DOI: 10.1038/srep07191.
  15. Geim AK, Novoselov KS. The rise of graphene. In: Rudgers P, editor. Nanoscience and technology: a collection of reviews from nature journals. Singapore: World Scientifc; 2009. p. 11–19. DOI: 10.1142/9789814287005_0002.
  16. Katsnelson MI. Graphene: carbon in two dimensions. Cambridge: Cambridge University Press; 2012. 351 p.
  17. Murali R, Yang Y, Brenner K, Beck T, Meindl JD. Breakdown current density of graphene nanoribbons. Applied Physics Letters. 2009;94(24):243114. DOI: 10.1063/1.3147183.
  18. Banszerus L, Schmitz M, Engels S, Goldsche M, Watanabe K, Taniguchi T, et al. Ballistic transport exceeding 28 mm in CVD grown graphene. Nano Letters. 2016;16(2):1387–1391. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04840.
  19. Batrakov KG, Saroka VA, Maksimenko SA, Thomsen C. Plasmon polariton deceleration in graphene structures. Journal of Nanophotonics. 2012;6(1):061719.
  20. Slepyan GY, Maksimenko SA, Lakhtakia A, Yevtushenko O, Gusakov AV. Electrodynamics of carbon nanotubes: Dynamic conductivity, impedance boundary conditions, and surface wave propagation. Physical Review B. 1999;60(24):17136. DOI: 10.1103/PhysRevB.60.17136.
  21. Batrakov K, Kuzhir P, Maksimenko S, Volynets N, Voronovich S, Paddubskaya A, et al. Enhanced microwave-to-terahertz absorption in graphene. Applied Physics Letters. 2016;108(12):123101. DOI: 10.1063/1.4944531.
  22. Barkovskii LM, Borzdov GN, Lavrinenko AV. Fresnel’s reflection and transmission operators for stratifed gyroanisotropic media. Journal of Physics A: Mathematical and General. 1987;20(5):1095. DOI: 10.1088/0305-4470/20/5/021.
  23. Barkovsky LM, Furs AN. Operatornye metody opisaniya opticheskikh polei v slozhnykh sredakh [Operator methods for describing optical felds in complex media]. Minsk: Belaruskaya navuka; 2003. 285 p. Russian.
  24. Popov V, Lavrinenko AV, Novitsky A. Operator approach to effective medium theory to overcome a breakdown of Maxwell Garnett approximation. Physical Review B. 2016;94(8):085428. DOI: 10.1103/PhysRevB.94.085428.
  25. Popov V, Lavrinenko AV, Novitsky A. Surface waves on multilayer hyperbolic metamaterials: operator approach to effective medium approximation. Physical Review B. 2018;97(12):125428. DOI: 10.1103/PhysRevB.97.125428.
  26. Borzdov GN. Frequency domain wave-splitting techniques for plane stratifed bianisotropic media. Journal of Mathematical Physics. 1997;38(12):6328 – 6366. DOI: 10.1063/1.532216.
  27. Mikhailov S. Carbon nanotubes and graphene for photonic applications. Chapter 7. Electromagnetic nonlinearities in grapheme. Yamashita S, Saito Y, Choi JH, editors. Cambridge: Woodhead Publishing; 2013. p. 171–221. (Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials).
  28. Batrakov KG, Saroka VA, Maksimenko SA, Thomsen C. Plasmon polariton deceleration in graphene structures. Journal of Nanophotonics. 2012;6(1):061719. DOI: 10.1117/1.JNP.6.061719.
  29. Jin YS, Kim GJ, Jeon SG. Terahertz dielectric properties of polymers. Journal of the Korean Physical Society. 2006;49(2):513–517.
Опубликован
2020-01-31
Ключевые слова: графен, гетероструктура, операторный метод, фазовая скорость, излучение Вавилова – Черенкова
Поддерживающие организации Статья подготовлена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (проект Ф19АРМ-017), грантов исследовательской и инновационной программы Европейского союза «Горизонт-2020» (проекты MCSA RISE No. 734164 Graphene-3d и H2020-644076 CoExAN) и Всемирной федерации ученых (проект «Наука и технологии»).
Как цитировать
Яковлева, М. А., & Батраков, К. Г. (2020). Двухслойные графеновые гетероструктуры для замедления волн: операторный метод в применении к решению волноводной задачи. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 73-82. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2020-1-73-82
Выпуск
№ 1 (2020): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2020 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).