Hydrodynamic finite-difference time-domain simulation of spatial dispersion and surface modes of thin metal films

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Algorithms for simulation of the spatial dispersion in epsilon-near-zero media are of the great importance for the design of compact nonlinear optical devices. Simulation of a thin metal film using the finite-difference time-domain method improved in this work shows that the presence of spatial dispersion increases the group velocity of the Berreman mode of this film.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. R. Gazizov

Kazan (Volga Region) Federal University

Author for correspondence.
Email: almargazizov@kpfu.ru

Институт физики

Russian Federation, Kazan

E. A. Izbasarova

Kazan (Volga Region) Federal University

Email: almargazizov@kpfu.ru

Институт физики

Russian Federation, Kazan

References

  1. Kinsey N., DeVault C., Boltasseva A. et al. // Nature Rev. Mater. 2019. V. 4. P. 742.
  2. Liberal I., Engheta N. // Nature Photon. 2017. V.11. P. 149.
  3. Niu X., Hu X., Chu S. et al. // Adv. Opt. Mater. 2018. V. 6. Art. No. 1701292.
  4. Jiang X., Lu H., Li Q. et al. // Nanophoton. 2018. V. 7. No. 11. P. 1835.
  5. Chai Z., Hu X., Wang F. et al. // Adv. Opt. Mater. 2017. V. 5. Art. No. 1600665.
  6. Pshenichnyuk I.A., Kosolobov S.S., Drachev V.P. // Appl. Sciences. 2019. V. 9. Art. No. 4834.
  7. Caspani L., Kaipurath R.P.M., Clerici M. et al. // Phys. Rev. Lett. 2016. V. 116. Art. No. 233901.
  8. Kaipurath R.M., Pietrzyk M., Caspani L. et al. // Sci. Reports. 2016. V. 6. Art. No. 27700.
  9. Argyropoulos C., D’Aguanno G., Alu A. // Phys. Rev. B. 2014. V. 89. Art. No. 235401.
  10. Vincenti M, de Ceglia D., Ciattoni A. et al. // Phys. Rev. A. 2011. V. 84. Art. No. 063826.
  11. Kharintsev S.S., Kharintonov A.V., Gazizov A.R. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. P. 3862.
  12. Vertchenko L., Akopian N., Lavrinenko A.V. // Sci. Reports. 2019. V. 9. Art. No. 6053.
  13. Yang Y., Lu J., Manjavacas A. et al. // Nature Phys. 2019. V. 15. P. 1022.
  14. Tian W., Liang F., Chi S. et al. // ACS Omega. 2020. V. 5. P. 2458.
  15. Alam M.Z., De Leon I., Boyd R.W. // Science. 2016. V. 352. P. 795.
  16. Zhou Y., Alam M.Z., Karimi M. et al. // Nature Commun. 2020. V. 11. Art. No. 2180.
  17. Kharitonov A.V., Kharintsev S.S. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2022. V. 86. Suppl. 1. P. S92.
  18. Gazizov A.R., Salakhov M.Kh., Kharintsev S.S. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2022. V. 86. Suppl. 1. P. S71.
  19. Газизов А.Р., Харитонов А.В., Харинцев С.С. // Письма в ЖЭТФ. 2021. Т. 113. № 3. C. 152, Gazizov A.R., Kharitonov A.V., Kharintsev S.S. // JETP Lett. 2021. V. 113. No. 3. P. 140.
  20. Газизов А.Р., Салахов М.Х. // Опт. и спектроск. 2023. T. 131. № 11. C. 1515, Gazizov A.R., Salakhov M. Kh. // Opt. Spectrosc. 2023. V. 131. No. 11. P. 1437.
  21. Газизов А.Р., Салахов М.Х., Харинцев С.С. // Письма в ЖЭТФ. 2023. Т. 117. № 9. C. 670, Gazizov A.R., Salakhov M.Kh., Kharintsev S.S. // JETP Lett. 2023. V. 117. No. 9. P. 668.
  22. Scalora M., Trull J., de Ceglia D. et al. // Phys. Rev. A. 2020. V. 101. Art. No. 053828.
  23. Scalora M., Vincenti M.A., de Ceglia D. et al. // Phys. Rev. A. 2018. V. 98. No. 2. Art. No. 023837.
  24. Rodriguez-Sune L., Scalora M., Johnson A.S. et al. // APL Photonics. 2020. V. 5. Art. No. 010801.
  25. de Ceglia D., Campione S., Vincenti M.A. et al. // Phys. Rev. B. 2013. V. 87. Art. No. 155140.
  26. Ciracì C., Hill R.T., Mock J.J. et al. // Science. 2012. V. 337. No. 6098. P. 1072.
  27. Yee K. // IEEE Trans. Antennas Propag. 1966. V. 14. No. 3. P. 302.
  28. Левковская В.М., Харитонов А.В., Харинцев С.С. // Опт. журн. 2024. Т. 91. № 5. С. 5.
  29. Ciracì C., Pendry J.B., Smith D.R. // Chem. Phys. Chem. 2013. V. 14. P. 1109.
  30. Sullivan D.M. Electromagnetic simulation using FDTD Method. IEEE Press, 2000. 165 p.
  31. Taflove A., Hagness S.C. Computational eletrodynamics: the finite-difference time-domain method. Artech House, 2000. 852 p.
  32. Vassant S., Hugonin J.-P., Marquier F. et al. // Opt. Express. 2012. V. 20. P. 23971.
  33. Campione S., Brener I., Marquier F. // Phys. Rev. B. 2015. V. 91. Art. No. 121408.
  34. Kinsey N., Khurgin J. // Opt. Mater. Express. 2019. V.9. P. 2793.
  35. Харитонов А.В., Газизов А.Р., Харинцев С.С. // Письма в ЖЭТФ. 2021. Т. 114. № 6. C. 756, Kharitonov A.V., Gazizov A.R., Kharintsev S.S. // JETP Lett. 2021. V. 114. No. 6. P. 687.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic representation of the simulated system consisting of a thin metal film of thickness d located on a SiO2 substrate and surrounded by air. The plane of the figure coincides with the XZ plane. The propagating plasmon-polariton has TM polarization (vector E lies in the plane of the figure). Inside the film with spatial dispersion, the electric field is not perpendicular to the wave vector.

Download (194KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Dispersion diagrams of the eigenmodes of a thin metal film in the absence (a) and presence (b) of spatial dispersion, obtained using simulation. Film parameters: d = 20 nm, εb = 5.4, ωp = 1.38 1016 rad/s, γ = 25 1012 rad/s, Fermi velocity vF = 3/137 of the speed of light. The dashed line indicates the position of the NDP frequency, the dash-dotted line indicates the curve determining the position of the Berreman mode (inside the light cone) and the NDP mode (outside the light cone) in the presence of spatial dispersion (b).

Download (931KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dispersion diagrams of (a) modes of a thin metal film in the absence of spatial dispersion and (b) a surface plasmon polariton excited on the surface of a material with spatial dispersion. The Fermi velocity vF = 24/137 of the speed of light. The dashed line indicates the position of the NDP frequency, which also determines the position of the Berreman mode (inside the light cone) and the NDP mode (outside the light cone) in the absence of spatial dispersion (a).

Download (618KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».