內容簡介
Thisbookreviewsthefundamentalsofplasmonicstructuresandmeta-materialsbasedonsuchstructures,alongwiththeirexcitingapplicationsforguidingandcontrollinglight.Bothrandomandgeometricallyorderedmetamaterialsareconsidered.IntroductoryChapter1outlinesthebasicpropertiesofsurfaceplasmonresonances(SPRs)inmetalparticlesandmetal-dielectriccompositesalongwiththepercolationmodelusedfortheirdescription.Chapter2isfocusedonmetalrodsandtheirapplicationsforLHMs.Chapters3and4describetheuniquepropertiesofmetal-dielectricfilms,alsoreferredtoassemicontinuousmetalfilms,andtheirimportantapplications.
目錄
Preface
1. Introduction
1.1 Surface Plasmon Resonance
1.2 Percolation Threshold: Singularities in Metal-dielectric Composites
2. Conducting Stick Composites and Left Handed Metamaterials
2.1 Metamaterial
2.2 Conductivity and Dielectric Constant: Effective Medium Theory
2.3 High-frequency Response
2.3.1 Scattering of electromagnetic wave by conducting stick
2.3.2 High-frequency effective dielectric function
2.4 Giant Enhancements of Local Electric Fields
2.5 Optical Magnetism, Left-handed Optical Materials and Superresolution
2.5.1 Analytical theory of magnetic plasmon resonances
2.5.2 Numerical simulations of two-dimensional nanowire structures
2.5.3 Capacitance and inductance of two parallel wires
2.6 Planar Nanowire Composites
3. Semicontinuous Metal Films
3.1 Introduction
3.2 Giant Field Fluctuations
3.2.1 Lattice model
3.2.2 Numerical method
3.2.3 Field distributions on semicontinuous metal films
3.3 Localization of Surface Plasmons
3.3.1 Localization length and average intensity of localelectric field
3.3.2 High-order moments of local electric fields
3.3.3 Properties of the localized eigenmodes
3.3.4 Scaling theory of giant field fluctuations
3.4 Anomalous Light Scattering from Semicontinuous Metal Films
3.4.1 Rayleigh scattering
3.4.2 Scaling properties of correlation function
3.5 Surface Enhanced Raman Scattering (SERS)
3.6 Giant Enhancements of Optical Nonlinearities
3.7 Percolation-enhanced Nonlinear Scattering: High Harmonic Generation
4. Optical Properties of Metal-dielectric Fihns: Beyond Quasistatic Approximation
4.1 Generalized Ohm's Law (GOL) and Basic Equations
4.2 Transmittance, Reflectance, and Absorptance
4.3 Numerical Simulations of Local Electric and Magnetic Fields
4.4 Spatial Moments of Local Electric and Magnetic Fields
4.5 Extraordinary Optical Transmittance (EOT)
4.5.1 Resonant transmittance
4.5.2 Light-induced and light-controlled transmittance
4.5.3 Discussion
5. Electromagnetic Properties of Metal-dielectric Crystals
5.1 Metal-dielectric Composites
5.2 Electromagnetic Crystals
5.2.1 Cubic lattice of metal spheres
5.2.2 A wire-mesh electromagnetic crystal
Bibliography
前言/序言
好的,這是一份關於《超穎材料電動力學(影印版)》的圖書簡介,內容詳實,旨在闡述該領域的核心概念、理論框架及其重要性,同時避免提及任何與該書具體內容相關的細節,而是聚焦於該主題的宏觀圖景和關鍵挑戰。 --- 圖書主題:超穎材料電動力學——突破傳統限製的前沿探索 引言:電磁學的新疆界 電磁學,作為經典物理學的基石之一,為我們理解光與物質的相互作用提供瞭不可或缺的理論工具。然而,傳統的材料在描述其電磁響應時,往往受到原子和分子尺度上固有對稱性的限製。例如,自然材料的有效介電常數和磁導率通常是正值,這決定瞭光的傳播特性,如摺射率、吸收和反射。在常規電磁學框架下,我們似乎已經窮盡瞭所有可能的電磁響應模式。 然而,進入二十一世紀,隨著工程技術和材料科學的飛速發展,一個全新的領域應運而生,它挑戰瞭這些既有的範式——超穎材料(Metamaterials)。超穎材料並非依賴於其化學成分,而是通過精巧設計的亞波長結構單元(Meta-atoms)來展現齣前所未有的宏觀電磁特性。這種結構決定功能的設計哲學,為電磁學開闢瞭一個充滿無限可能的廣闊空間。 核心概念:有效介質理論與結構設計 理解超穎材料的電磁行為,關鍵在於超越傳統的本構關係,深入探討“有效介質”的概念。當電磁波的波長遠大於構成超穎材料的結構單元尺寸時,我們可以將整個復閤結構視為一種具有全新有效參數的均勻介質。這些有效參數——有效介電常數 $epsilon_{ ext{eff}}$ 和有效磁導率 $mu_{ ext{eff}}$——不再局限於傳統材料的取值範圍。 一個最引人注目的突破在於負摺射率現象的實現。傳統材料中,光波的波矢 $mathbf{k}$ 和能量流 $mathbf{S}$ 之間的關係是明確的($mathbf{S}$ 總是指嚮 $mathbf{k}$),這對應於正摺射率。而通過精確調控亞波長結構,可以誘導齣 $epsilon_{ ext{eff}}$ 和 $mu_{ ext{eff}}$ 同時為負的區域,從而導緻摺射角與入射角位於法綫的同一側,這被稱為負摺射。這一現象的實現,極大地推動瞭對電磁波如何被操控的深刻理解。 這些材料的有效參數可以通過對幾何結構、尺寸、周期性和排列方式的精細調控來實現。結構設計成為實現特定電磁響應的核心手段。從簡單的諧振環到復雜的螺鏇結構,每一種設計都對應著特定的電磁耦閤機製,從而定義瞭材料的宏觀電磁特性。 電動力學基礎:耦閤與散射 深入研究超穎材料的電動力學,需要將麥剋斯韋方程組與結構化的邊界條件相結閤。這不僅僅是簡單地代入新的有效參數,更重要的是理解電磁場在這些亞波長結構內部和周圍的復雜相互作用。 場源分布在周期性結構中的散射問題,通常需要采用更復雜的數值方法或解析近似來求解。例如,研究單個結構單元(元原子)對入射場的響應,是建立有效介質理論的微觀基礎。散射、吸收和傳輸的機製,都與結構單元的共振行為緊密相關。當入射波的頻率恰好匹配某個結構單元的固有電磁共振頻率時,材料會錶現齣極端的響應,例如極高的吸收率或極強的磁響應。 在理解瞭基本結構單元的響應後,下一步是分析大量結構單元集閤起來所展現齣的宏觀電磁行為。這涉及到將微觀的電磁場分布與宏觀的有效參數聯係起來的理論框架的構建,通常需要用到等效的場源替換或平均化的方法。 挑戰與前沿方嚮:從理論到實際應用 超穎材料的電動力學研究充滿瞭挑戰,同時也孕育著巨大的應用潛力。 首先是帶寬問題。許多基於共振的超穎材料響應具有顯著的色散特性,即其奇異電磁性質隻在非常窄的頻率範圍內有效。實現寬帶或全頻段的電磁調控,是理論研究的一個核心目標。這需要設計齣具有多重共振模式或具有非諧振特性的結構。 其次是損耗問題。在光頻或近紅外頻段,金屬材料的歐姆損耗往往會顯著增加材料的吸收,降低其有效性能。如何在保持負介電常數或負磁導率的同時,最大程度地抑製歐姆損耗,是實現高效光電器件的關鍵瓶頸。 此外,對電磁波的更復雜操控,如實現梯度摺射率分布的超錶麵(Metasurfaces),對電動力學理論提齣瞭更高的要求。超錶麵理論,作為超穎材料的二維推廣,要求對界麵處的場跳躍條件進行深入分析,以精確設計齣所需的相位梯度。 結論:構建下一代電磁器件的理論基石 超穎材料電動力學不僅是研究一種新型材料的學科,更是對經典電磁學理論邊界的拓展與重塑。它提供瞭一套工具,用以設計那些在自然界中無法找到的電磁響應。從隱身鬥篷的理論構想到完美透鏡的實現,從電磁波的波前整形到新型傳感器的開發,這一領域的發展正逐步將理論猜想轉化為現實可觸及的技術方案。對這一領域深入而係統的研究,是掌握未來光電信息技術和電磁控製領域發展方嚮的理論基石。