RU2806895C1 - Method for creating magnetic fields in meso-sized dielectric spherical two-layer particles - Google Patents
Method for creating magnetic fields in meso-sized dielectric spherical two-layer particles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806895C1 RU2806895C1 RU2023118603A RU2023118603A RU2806895C1 RU 2806895 C1 RU2806895 C1 RU 2806895C1 RU 2023118603 A RU2023118603 A RU 2023118603A RU 2023118603 A RU2023118603 A RU 2023118603A RU 2806895 C1 RU2806895 C1 RU 2806895C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- refractive index
- magnetic fields
- particle
- dielectric
- spherical
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к способам создания магнитных полей и может быть применено в физическом эксперименте, в том числе для моделирования сверхсильных магнитных полей в космическом пространстве, моделирования астрофизических процессов в «лабораторных условиях», использовано в качестве элементов сенсоров, элементов нано-антенн и т.д. The invention relates to methods for creating magnetic fields and can be used in physical experiments, including for modeling ultra-strong magnetic fields in outer space, modeling astrophysical processes in “laboratory conditions”, used as sensor elements, nano-antenna elements, etc. .
Мезоразмерные сферические диэлектрические частицы с параметром размера Ми q=ka (где k, a соответственно волновое число и радиус сферической частицы) порядка 10 [Luk`yanchuk B., Minin I.V., Minin O.V., Wang Z. Refractive index less than two: Photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express. 2017. Vol. 7. No. 6. P. 1820 - 1847; Minin O. V., and Minin I. V. Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles // Photonics. 2021. Vol.8. No. 12; Minin, O. V., and Minin, I. V., Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles, // Photonics, 8(12), (2021)] занимают мало исследованную нишу между наночастицами (q<1) и частицами, для которых справедлива геометрическая оптика (q~100).Mesosized spherical dielectric particles with the Mie size parameter q=ka (where k, a, respectively, are the wave number and radius of the spherical particle) of the order of 10 [Luk`yanchuk B., Minin IV, Minin OV, Wang Z. Refractive index less than two: Photonic nanojets yesterday, today and tomorrow // Optical Materials Express. 2017. Vol. 7.No. 6. P. 1820 - 1847; Minin OV, and Minin IV Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles // Photonics. 2021. Vol.8. No. 12; Minin, OV, and Minin, IV, Optical Phenomena in Mesoscale Dielectric Particles, // Photonics , 8(12), (2021)] occupy a little-explored niche between nanoparticles ( q <1 ) and particles for which geometric optics is valid ( q ~100 ).
Термин «мезоразмерный» как в оптике, так и акустике означает, что характерный размер диэлектрической или звукопроводящей частицы порядка длины волны используемого излучения и считается общепринятым [P.-K. Wei, H.-Li Chou, and W.-L. Chang. Diffraction-induced near-field optical images in mesoscale air–dielectric structures // J. Opt. Soc. Am. B, 20(7), 1503 (2003); Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Yinghui Cao, Zhenyu Liu, Yuri E. Geints & Alina Karabchevsky. Optical vacuum cleaner by optomechanical manipulation of nanoparticles using nanostructured mesoscale dielectric cuboid // Scientific Reports, (2019) 9:12748; Yuuto Samura, Kazuki Horio, Vladimir Antipov, Sergey Shipilov, Aleksandr Eremeev, Oleg V. Minin, Igor V. Minin, and Shintaro Hisatake. Characterization of Mesoscopic Dielectric Cuboid Antenna at Millimeter-wave Band // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters; Eetu Lampsijärvi, Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Joni Mäkinen, Robin Wikstedt, Edward Hæggström, Ari Salmi. Schlieren Visualization of Anisotropic Dual Slanted Plate Mesoscale Lens Action for Ultrasound // International Ultrasonics Symposium, 10-13 October 2022, Venice, Italy; Sergio Pérez-López, José Miguel Fuster, IgorV. Minin, OlegV. Minin & PilarCandelas. Tunable subwavelength ultrasound focusing in mesoscale spherical lenses using liquid mixtures // Scientific Reports (2019) 9:13363; Igor Minin, Oleg Minin. Mesoscale Acoustical Cylindrical Superlens // MATEC Web of Conferences 155, 01029 (2018), IME&T 2017; Minin I. V., Minin O. V. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. – Springer, 2016 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; Патент РФ 2795677, Мезоразмерная кубоидная пластинчатая линза; Патент РФ 2790963, Способ фокусировки электромагнитного излучения; Патент РФ 2784213 Способ генерации резонансных мод Ми высокого порядка в мезоразмерных полостях диэлектрического материала; Патент РФ 181086. Линза] и т.д.The term “mesosized”, both in optics and acoustics, means that the characteristic size of a dielectric or sound-conducting particle is of the order of the wavelength of the radiation used and is generally accepted [P.-K. Wei, H.-Li Chou, and W.-L. Chang. Diffraction-induced near-field optical images in mesoscale air–dielectric structures // J. Opt. Soc. Am. B, 20(7), 1503 (2003); Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Yinghui Cao, Zhenyu Liu, Yuri E. Geints & Alina Karabchevsky. Optical vacuum cleaner by optomechanical manipulation of nanoparticles using nanostructured mesoscale dielectric cuboid // Scientific Reports, (2019) 9: 12748; Yuuto Samura, Kazuki Horio, Vladimir Antipov, Sergey Shipilov, Aleksandr Eremeev, Oleg V. Minin, Igor V. Minin, and Shintaro Hisatake. Characterization of Mesoscopic Dielectric Cuboid Antenna at Millimeter-wave Band // IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters; Eetu Lampsijärvi, Igor V. Minin, Oleg V. Minin, Joni Mäkinen, Robin Wikstedt, Edward Hæggström, Ari Salmi. Schlieren Visualization of Anisotropic Dual Slanted Plate Mesoscale Lens Action for Ultrasound // International Ultrasonics Symposium, 10-13 October 2022, Venice, Italy; Sergio Pérez-López, José Miguel Fuster, IgorV. Minin, Oleg V. Minin & PilarCandelas. Tunable subwavelength ultrasound focusing in mesoscale spherical lenses using liquid mixtures // Scientific Reports (2019) 9:13363; Igor Minin, Oleg Minin. Mesoscale Acoustical Cylindrical Superlens // MATEC Web of Conferences 155, 01029 (2018), IME&T 2017; Minin IV, Minin OV Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit. – Springer, 2016 [Electronic resource]. – Access mode: http://www.springer.com/us/book/9783319242514#aboutBook; RF Patent 2795677, Mesosized cuboid plate lens; RF Patent 2790963, Method for focusing electromagnetic radiation; RF Patent 2784213 Method for generating high-order resonant Mie modes in mesosized cavities of a dielectric material; RF patent 181086. Lens], etc.
Диэлектрические однородные мезомасштабные частицы нашли широкое применение в различных спектральных диапазонах, но они рассматривались только в режиме формирования «фотонных струй». Однако, оказалось, что в режиме резонанса у них появляются новые и неожиданные свойства, которые могут быть использованы, например, для поверхностного усиления комбинационного рассеяния, поверхностного усиления поглощения, генерации фотонно-магнитных наноструй, разработки магнитных нанодвигателей с гигантскими магнитными полями, в различных датчиках для измерения показателя преломления, температуры, плотности и т.д.Dielectric homogeneous mesoscale particles have found wide application in various spectral ranges, but they were considered only in the regime of formation of “photonic jets”. However, it turned out that in the resonance mode they have new and unexpected properties that can be used, for example, for surface enhancement of Raman scattering, surface enhancement of absorption, generation of photonic-magnetic nanojets, development of magnetic nanomotors with giant magnetic fields, in various sensors for measuring refractive index, temperature, density, etc.
Диэлектрические однородные сферы с определенными параметрами размера и изготовленные из материала с малыми потерями, например, стекла, кварца, фторопласта могут стимулировать гигантскую напряженность поля в сингулярностях, а затем образовывать две круглые горячие точки вокруг полюсов сферы и могут поддерживать так называемые «суперрезонансные моды» [Z. B. Wang, B. Luk’yanchuk, L. Yue, B. Yan, J. Monks, R. Dhama, O. V. Minin, I. V. Minin, S. M. Huang, and A. A. Fedyanin, High order Fano resonances and giant magnetic fields in dielectric microspheres // Scientific Reports 9, 20293 (2019); L. Yue, B. Yan, J. N. Monks, R. Dhama, C. Jiang, O. V. Minin, I. V. Minin, and Z. Wang. Full three-dimensional Poynting vector analysis of great field-intensity enhancement in a specifically sized spherical-particle // Sci Rep 9, 20224 (2019); L. Yue, Z. Wang, B. Yan, J. Monks, Y. Joya, R. Dhama, O.V. Minin, and I. V. Minin, Super-Enhancement Focusing of Teflon Spheres // Ann. Phys. (Berlin) 532, 2000373 (2020).], что отличается от других типов резонансов [Conwell, P., Barber, P., Rushforth, C. Resonant spectra of dielectric spheres // J. Opt. Soc. Am. A, 1(1), 62 (1984); P. Chýlek, J. D. Pendleton, and R. G. Pinnick, Internal and near-surface scattered field of a spherical particle at resonant conditions // Appl. Opt. 24, 3940-3942 (1985); Y. Duan, G. Barbastathis, and B. Zhang, Classical imaging theory of a microlens with super-resolution // Opt. Lett. 38, 2988-2990 (2013); S. Zhou, Y. Deng, W. Zhou, M. Yu, H. P. Urbach, Y. Wu. Effects of whispering gallery mode in microsphere super resolution imaging // Appl. Phys. B 123, 236 (2017)] в таких частицах.Dielectric homogeneous spheres with certain size parameters and made of low-loss material, for example, glass, quartz, fluoroplastic, can stimulate gigantic field strengths at singularities, and then form two round hot spots around the poles of the sphere and can support so-called “super-resonant modes” [ Z. B. Wang, B. Luk'yanchuk, L. Yue, B. Yan, J. Monks, R. Dhama, O. V. Minin, I. V. Minin, S. M. Huang, and A. A. Fedyanin, High order Fano resonances and giant magnetic fields in dielectric microspheres // Scientific Reports 9, 20293 (2019); L. Yue, B. Yan, J. N. Monks, R. Dhama, C. Jiang, O. V. Minin, I. V. Minin, and Z. Wang. Full three-dimensional Poynting vector analysis of great field-intensity enhancement in a specifically sized spherical-particle // Sci Rep 9, 20224 (2019); L. Yue, Z. Wang, B. Yan, J. Monks, Y. Joya, R. Dhama, O.V. Minin, and I. V. Minin, “Super-Enhancement Focusing of Teflon Spheres,” Ann. Phys. (Berlin) 532, 2000373 (2020).], which differs from other types of resonances [Conwell, P., Barber, P., Rushforth, C. Resonant spectrum of dielectric spheres // J. Opt. Soc. Am. A, 1(1), 62 (1984); P. Chýlek, J. D. Pendleton, and R. G. Pinnick, Internal and near-surface scattered field of a spherical particle at resonant conditions // Appl. Opt. 24, 3940-3942 (1985); Y. Duan, G. Barbastathis, and B. Zhang, Classical imaging theory of a microlens with super-resolution // Opt. Lett. 38, 2988-2990 (2013); S. Zhou, Y. Deng, W. Zhou, M. Yu, H. P. Urbach, Y. Wu. Effects of whispering gallery mode in microsphere super resolution imaging // Appl. Phys. B 123, 236 (2017)] in such particles.
Напряженность электромагнитного поля в горячих точках может на несколько порядков, примерно на 103–1010, превышать напряженность электромагнитного поля в освещающей волне. Особенностью этого типа резонанса является то, что величина напряженности магнитного поля существенно превышает величину напряженности электрического поля в горячих точках. Наблюдаемые интенсивные магнитные резонансы связаны с вихревыми токами смещения в диэлектрике, которые приводят к возникновению магнитных диполей и возникновению отрицательной магнитной восприимчивости в области резонанса у шара.The electromagnetic field strength in hot spots can be several orders of magnitude, approximately 10 3 –10 10 , higher than the electromagnetic field strength in the illuminating wave. A feature of this type of resonance is that the magnitude of the magnetic field strength significantly exceeds the magnitude of the electric field strength in hot spots. The observed intense magnetic resonances are associated with eddy displacement currents in the dielectric, which lead to the appearance of magnetic dipoles and the emergence of negative magnetic susceptibility in the resonance region near the ball.
Этот суперрезонанс связан с внутренними модами Ми высокого порядка и имеет место при определенных значениях параметра размера частиц q, показателя преломления сферической частицы, зависит от ее сферичности и т.д., которые могут быть непосредственно получены из строгой аналитической теории Ми [Mie, G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidalermetallösungen, // Ann. Phys. 330, 3, 377-445 (1908).].This superresonance is associated with high-order internal Mie modes and occurs at certain values of the particle size parameter q , the refractive index of the spherical particle, depends on its sphericity, etc., which can be directly obtained from the rigorous analytical theory of Mie [Mie, G. Beiträge zur optik trüber medien, speziell colloidalermetallösungen, // Ann. Phys . 330, 3, 377-445 (1908).].
Известно, что кроме нанофотоники, многослойные сферические наночастицы применяются для лечения рака [Zhang J. Biomedicalapplicationsofshape-controlledplasmonicnanostructures: A case study of hollow gold nanospheres for photothermal ablation therapy of cancer // Journal of Physical Chemistry Letters. — 2010. — Vol. 1, no. 4. — P. 686–695; Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance / L. Hirsch [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 2003. — Vol. 100, no. 23. — P. 13549–13554.], различных методов диагностики в медицине [Allain L. R., Vo-Dinh T. Surface-enhanced Raman scattering detection of the breast cancer susceptibility gene BRCA1 using a silver-coated microarray platform // Analytica Chimica Acta. — 2002. — Vol. 469, no. 1. — P. 149–154.], повышения эффективности солнечных элементов [Kameya Y., Hanamura K. Enhancement of solar radiation absorption using nanoparticle suspension // Solar Energy. — 2011. — Vol. 85, no. 2. — P. 299– 307; A. Mann [et al.] Dielectric particle and void resonators for thin film solar cell textures // Opt. Express. — 2011. — Vol. 19, no. 25. — P. 25729–25740], разработки маскирующих субволновых покрытий видимого и микроволнового диапазонов [C.-W. Qiu [et al.] Spherical cloaking with homogeneous isotropic multilayered structures // Phys. Rev. E. — 2009. — Vol. 79, issue 4. — P. 047602; X.Wang, F.Chen, Semouchkina E. Spherical cloaking using multilayer shells of ordinary dielectrics // AIP Advances. — 2013. — Vol. 3. — P. 112111], устройств плазмоники [J. Martin [et al.] Localized surface plasmon resonances in the ultraviolet from large scale nanostructured aluminum films // Optical Materials Express. — 2013. — Vol. 3, no. 7. — P. 954–959; Alu A., Engheta N. Achieving transparency with plasmonic and metamaterial coatings // Phys.Rev.E. — 2005. — Vol. 72. — P. 016623.].It is known that in addition to nanophotonics, multilayer spherical nanoparticles are used for the treatment of cancer [Zhang J.Biomedicalapplicationsofshape-controlledplasmonic nanostructures: A case study of hollow gold nanospheres for photothermal ablation therapy of cancer // Journal of Physical Chemistry Letters. - 2010. - Vol. 1, no. 4. - P. 686–695; Nanoshell-mediated near-infrared thermal therapy of tumors under magnetic resonance guidance / L. Hirsch [et al.] // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2003. - Vol. 100, no. 23. - P. 13549–13554.], various diagnostic methods in medicine [Allain L. R., Vo-Dinh T. Surface-enhanced Raman scattering detection of the breast cancer susceptibility geneBRCA1 using a silver-coated microarray platform // Analytica Chimica Acta. - 2002. - Vol. 469, no. 1. - P. 149–154.], increasing the efficiency of solar cells [Kameya Y., Hanamura K.Enhancement of solar radiation absorption using nanoparticle suspension // Solar Energy. - 2011. - Vol. 85, no. 2. - P. 299–307; A. Mann [et al.] Dielectric particle and void resonators for thin film solar cell textures // Opt. Express. - 2011. - Vol. 19, no. 25. - P. 25729–25740], development of masking subwavelength coatings in the visible and microwave ranges [C.-W. Qiu [et al.] Spherical cloaking with homogeneous isotropic multilayered structures // Phys. Rev. E. - 2009. - Vol. 79, issue 4. - P. 047602; X.Wang, F.Chen, Semouchkina E.Spherical cloaking using multilayer shells of ordinary dielectrics // AIP Advances. — 2013. — Vol. 3. - P. 112111], plasmonics devices [J. Martin [et al.] Localized surface plasmon resonances in the ultraviolet from large scale nanostructured aluminum films // Optical Materials Express. — 2013. — Vol. 3, no. 7. - P. 954–959; Alu A., Engheta N.Achieving transparency with plasmonic and metamaterial coatings // Phys.Rev.E. - 2005. - Vol. 72. - P. 016623.].
Получение сверхсильных магнитных полей в лабораторных условиях является сложной и актуальной задачей [Kolm, U. & Freeman, A. Intense magnetic fields. // Sci. Am. 212, 66 (1965); Sakharov, A. D. Magnetoimplosive generators. // Phys. Uspekhi 9, 294-304 (1966); K. Coyne, Magnets from Mini to Mighty, // Magnet Lab U (2008); Лагутин А. С., Ожогин В. Л. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. М.: Энергоатомиздат, 1988. 192 с.]. Самые сильные непрерывные магнитные поля силой 45 Тл были созданы с помощью постоянного магнита внутри сверхпроводящего магнита. Магнитные поля выше этого уровня создавались только в импульсных режимах, когда электрические токи передавались через соленоиды различной конструкции или когда магнитный поток внутри замкнутой проводящей катушки сжимался внешними силами.Obtaining ultra-strong magnetic fields in laboratory conditions is a complex and urgent task [Kolm, U. & Freeman, A. Intense magnetic fields. // Sci. Am. 212, 66 (1965); Sakharov, A. D. Magnetoimplosive generators. // Phys. Uspekhi 9, 294-304 (1966); K. Coyne, Magnets from Mini to Mighty, // Magnet Lab U (2008); Lagutin A. S., Ozhogin V. L. Strong pulsed magnetic fields in a physical experiment. M.: Energoatomizdat, 1988. 192 p.]. The strongest continuous magnetic fields of 45 Tesla were created using a permanent magnet inside a superconducting magnet. Magnetic fields above this level were created only in pulsed modes, when electric currents were transmitted through solenoids of various designs or when the magnetic flux inside a closed conducting coil was compressed by external forces.
Известен способ передачи энергии индуктивной нагрузки от генератора ударной мощности и устройство для его осуществления [Патент №192922 РФ, Н03К 17/64, Бюл. №6, 02.03.1967.]. Оно состоит из генератора тока, индуктивной нагрузки – соленоида, блока накопительных конденсаторов и двух контактно-вентильных коммутаторов. Генератор тока через контакт одного коммутатора соединен параллельно с конденсаторной батареей, которая через контакт второго коммутатора также соединена параллельно с соленоидом.There is a known method of transferring the energy of an inductive load from a shock power generator and a device for its implementation [RF Patent No. 192922, N03K 17/64, Bull. No. 6, 03/02/1967]. It consists of a current generator, an inductive load - a solenoid, a block of storage capacitors and two contact-valve switches. The current generator, through the contact of one commutator, is connected in parallel to a capacitor bank, which, through the contact of the second commutator, is also connected in parallel to the solenoid.
Известен источник импульсного магнитного поля [Патент №2331979 РФ, Н03К 17/64, Бюл. №23, 20.08.2008.], который содержит источник питания, выключатель питания, распределитель тока, блок запуска генератора тока, накопительные конденсаторы, генераторы тока, полеобразующую систему, которая включает не менее двух соленоидов и выключатель управления. Блок запуска генераторов тока выполнен на твердотельном реле.A known source of pulsed magnetic field [Patent No. 2331979 RF, N03K 17/64, Bull. No. 23, 08/20/2008.], which contains a power source, a power switch, a current distributor, a current generator starting unit, storage capacitors, current generators, a field-forming system that includes at least two solenoids and a control switch. The current generator starting unit is made on a solid-state relay.
В известных способах магнитное поле обеспечивают путем пропускания постоянного тока через обмотки катушек по проводам. Например, простое аксиально-симметричное тороидальное поле может быть создано током, протекающим по проводникам катушки, равномерно навитой на поверхность круглого тороида.In known methods, a magnetic field is provided by passing direct current through the windings of coils along wires. For example, a simple axially symmetric toroidal field can be created by current flowing through the conductors of a coil wound uniformly on the surface of a circular toroid.
Недостатком известных способов является создание недостаточно сильных магнитных полей и невозможностью получения сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах.The disadvantage of the known methods is the creation of insufficiently strong magnetic fields and the impossibility of obtaining strong magnetic fields in mesosized dielectric particles.
Известен способ генерации квазистационарного магнитного поля в кильватерном следе лазерного импульса, заключающийся в формировании короткого лазерного импульса заданной формы и большой интенсивности, облучении им докритической плазмы, проникновении лазерного импульса в плазму, появлении быстрых электронов и формировании результирующего квазистационарного дипольного магнитного поля, которое возникает из-за передачи энергии этих электронов в магнитное поле посредством электромагнитной неустойчивости [Лисейкина Т. В. Генерация магнитного поля при взаимодействии лазерного излучения с плазмой // Вычислительные технологии Том 3, № 4, 1998; Haines M. G. Magnetic field generation in laser fusion and hotelectron transport. Can. J. Phys, 64, 1986.]. Таким способом, теоретически, может быть достигнуто магнитное поле величины порядка 105 Тл.There is a known method for generating a quasi-stationary magnetic field in the wake of a laser pulse, which consists in the formation of a short laser pulse of a given shape and high intensity, irradiation of a subcritical plasma with it, penetration of the laser pulse into the plasma, the appearance of fast electrons and the formation of the resulting quasi-stationary dipole magnetic field, which arises from for transferring the energy of these electrons into a magnetic field through electromagnetic instability [Liseikina T.V. Generation of a magnetic field during the interaction of laser radiation with plasma // Computational technologies Vol. 3, No. 4, 1998; Haines MG Magnetic field generation in laser fusion and hotelectron transport. Can. J. Phys, 64, 1986]. In this way, theoretically, a magnetic field of about 10 5 T can be achieved.
Недостатком известных способов является невозможность получения магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах.The disadvantage of the known methods is the impossibility of obtaining magnetic fields in mesosized dielectric particles.
В качестве прототипа выбран способ создания сильных магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических частицах по патенту РФ 2795609, заключающийся в облучении сформированным монохроматическим излучением однородной сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения и с мезоразмерным диаметром, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения.As a prototype, a method was chosen for creating strong magnetic fields in mesosized dielectric particles according to RF patent 2795609, which consists in irradiating a homogeneous spherical dielectric particle made of a transparent material for the radiation used and with a mesosized diameter with generated monochromatic radiation, excitation of high-order super-resonant Mie modes in the particle and formation of hot spots around the poles of a spherical particle along the direction of radiation propagation.
Недостатком известного способа является создание малого числа (двух) горячих точек в мезоразмерной диэлектрической сфере излучения с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей.The disadvantage of this known method is the creation of a small number (two) hot spots in the mesosized dielectric sphere of radiation with maximum levels of electric and magnetic fields.
Задачей заявляемого технического решения является разработка способа создания магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических двухслойных частицах.The objective of the proposed technical solution is to develop a method for creating magnetic fields in mesosized dielectric two-layer particles.
Это достигается тем, что применяемый способ магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических сферических двухслойных частицах, заключающийся в облучении сформированным монохроматическим излучением однородной сферической диэлектрической частицы, выполненной из прозрачного материала для используемого излучения и с мезоразмерным диаметром, возбуждения в частице суперрезонансных мод Ми высокого порядка и формирования горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения, новым является то, что мезоразмерная диэлектрическая частица выполняется двухслойной, с показателем преломления материала ядра превышающим показатель преломления материала оболочки не менее чем в 1,6 раз, а показатель преломления материала оболочки превышает показатель преломления окружающей среды и одновременного формирования горячих точек вокруг полюсов ядра и оболочки сферической частицы вдоль направления распространения излучения с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей. This is achieved by the fact that the applied method of magnetic fields in mesosized dielectric spherical two-layer particles, which consists in irradiating a homogeneous spherical dielectric particle made of a transparent material for the radiation used and with a mesosized diameter with generated monochromatic radiation, excitation of high-order superresonant Mie modes in the particle and the formation of hot points around the poles of a spherical particle along the direction of radiation propagation, what is new is that the mesosized dielectric particle is made of two layers, with the refractive index of the core material exceeding the refractive index of the shell material by at least 1.6 times, and the refractive index of the shell material exceeds the refractive index of the environment and the simultaneous formation of hot spots around the poles of the core and shell of a spherical particle along the direction of radiation propagation with maximum levels of electric and magnetic fields.
Авторам неизвестны технические решения, содержащие сходные отличительные признаки и их использование для заявленной цели создания магнитных полей в мезоразмерных диэлектрических двухслойных частицах.The authors are not aware of technical solutions containing similar distinctive features and their use for the stated purpose of creating magnetic fields in mesosized dielectric two-layer particles.
Из технической литературы известно, что в отличие от диэлектрических частиц с радиусом существенно меньше длины волны излучения (в которых оптические свойства обычно обусловлены, как правило, первыми тремя резонансами Ми [A. Kuznetsov, A. Miroshnichenko, M. Brongersma, Y. Kivshar, and B. Luk‘yanchuk, Optically resonant dielectric nanostructures // Science 354, 6314, aag2472 (2016); S. Kruk and Y. Kivshar, Functional metaoptics and nanophotonics governed by Mie resonances // ACS Photonics 4, 2638 (2017); N. Bonod and Y. Kivshar. All-dielectric Mie-resonant metaphotonics // C. R. Physique, 21, (4-5), 425 (2020).]), в диэлектрических частицах c размером более длины волны и до характерных размеров, где начинает работать геометрическая оптика (мезоразмерные частицы), наблюдаются резонансы Ми высокого (≥5) порядка, что приводит к специфическим оптическим явлениям, обусловленным интерференцией широкого спектра всех внутренних мод с одиночной модой внутреннего резонанса высокого порядка. В свою очередь, эти интерференционные эффекты приводят, в частности, к формированию оптических вихрей внутри частицы [X. Cai, J. Wang, M. Strain, B. Johnson-Morris, J. . Zhu, M. Sorel, J. L. O’Brien, M. Thompson, and S. Yu, Integrated Compact Optical Vortex Beam Emitters // Science 338, 363 (2012)] с характерными размерами существенно меньше дифракционного предела и к формированию двух горячих точек вокруг полюсов сферической частицы вдоль направления распространения излучения.It is known from the technical literature that, in contrast to dielectric particles with a radius significantly smaller than the radiation wavelength (in which the optical properties are usually determined, as a rule, by the first three Mie resonances [A. Kuznetsov, A. Miroshnichenko, M. Brongersma, Y. Kivshar, and B. Luk'yanchuk, Optically resonant dielectric nanostructures // Science 354, 6314, aag2472 (2016); S. Kruk and Y. Kivshar, Functional metaoptics and nanophotonics governed by Mie resonances // ACS Photonics 4, 2638 (2017); N. Bonod and Y. Kivshar. All-dielectric Mie-resonant metaphotonics // C. R. Physique, 21, (4-5), 425 (2020).]), in dielectric particles with a size larger than the wavelength and up to characteristic sizes, where geometric optics (meso-sized particles) begin to work, high-order (≥5) Mie resonances are observed, which leads to specific optical phenomena caused by the interference of a wide spectrum of all internal modes with a single high-order internal resonance mode. In turn, these interference effects lead, in particular, to the formation of optical vortices inside the particle [X. Cai, J. Wang, M. Strain, B. Johnson-Morris, J. Zhu, M. Sorel, J. L. O'Brien, M. Thompson, and S. Yu, Integrated Compact Optical Vortex Beam Emitters // Science 338, 363 (2012)] with characteristic dimensions significantly smaller than the diffraction limit and to the formation of two hot spots around poles of a spherical particle along the direction of radiation propagation.
Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ.The essence of the proposed method is illustrated using the example of a device that implements this method.
Функциональная схема этого устройства представлена на Фиг. 1. Диаметр сферической частицы D=2a, где a – радиус сферической частицы, The functional diagram of this device is shown in Fig. 1. Diameter of a spherical particle D =2 a, where a is the radius of the spherical particle,
На Фиг. 2 проиллюстрирован эффект образования четырех горячих точек в двухслойной диэлектрической сфере с параметром размера q=29,8 и показателем преломления ядра N ядра=3,0, показателя преломления оболочки N обол=1,5 погруженной в воздух с показателем преломления n=1,0 и толщиной оболочки δ=0,8386009; (а, в) – относительные распределения интенсивностей электрического полей в различных сечения сферической частицы, (б, г) – относительные распределения интенсивностей магнитных полей в различных сечения сферической частицы, (Е 0, Н 0) амплитуды электрического и магнитного полей в освещающей сферическую частицу волне.In FIG. Figure 2 illustrates the effect of the formation of four hot spots in a two-layer dielectric sphere with the size parameterq=29.8 and core refractive indexN kernels=3.0, shell refractive indexN obol=1.5 immersed in air with refractive indexn=1.0 and shell thickness δ=0.8386009; (a, c) – relative distributions of electric field intensities in different sections of a spherical particle, (b, d) – relative distributions of magnetic field intensities in different sections of a spherical particle, (E 0, N 0) amplitudes of the electric and magnetic fields in the wave illuminating a spherical particle.
На Фиг. 3 приведены распределения электрических и магнитных полей в горячих точках двухслойной диэлектрической сферы, расположенной в воздухе и облучаемой электромагнитной волной равной 632,8 нм: (а) – диаметром 5 мкм (D/λ~7,9), с ядром из материала с показателем преломления равным 1,9 и показателем преломления оболочки – 1,5; (б) – диаметром 6 мкм, с ядром из материала с показателем преломления равным 2,5 и показателем преломления оболочки – 1,5; (в) – диаметром 6 мкм (D/λ~9,5), с ядром из материала с показателем преломления равным 3,0 и показателем преломления оболочки – 1,5. Формируются четыре горячие точки полюсов ядра и оболочки сферической частицы вдоль направления распространения излучения с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей. In FIG. Figure 3 shows the distribution of electric and magnetic fields in the hot spots of a two-layer dielectric sphere located in the air and irradiated by an electromagnetic wave equal to 632.8 nm: (a) – with a diameter of 5 microns ( D /λ~7.9), with a core made of a material with the index refractive index equal to 1.9 and refractive index of the shell – 1.5; (b) – with a diameter of 6 microns, with a core made of a material with a refractive index of 2.5 and a shell refractive index of 1.5; (c) – with a diameter of 6 microns ( D /λ~9.5), with a core made of a material with a refractive index of 3.0 and a shell refractive index of 1.5. Four hot spots of the poles of the core and shell of the spherical particle are formed along the direction of radiation propagation with maximum levels of electric and magnetic field strength.
Во всех случаях при превышении показателя преломления материала ядра более чем в 1,6 раз по сравнению с показателем преломления оболочки величина магнитного поля превышает величину электрического поля в горячих точках.In all cases, when the refractive index of the core material exceeds the refractive index of the cladding by more than 1.6 times, the magnitude of the magnetic field exceeds the magnitude of the electric field at the hot spots.
Обозначения: 1 – источник монохроматического излучения (лазер, мазер, лампа обратной волны и т.п.), 2 – формирователь электромагнитной волны с плоским волновым фронтом (рупорная антенна, линзовая антенна, зеркальная антенна), 3 – сформированное электромагнитное излучение, 4 – сферическая диэлектрическая мезоразмерная частица, 5 – ядро сферической частицы с показателем преломления N ядра, 6 – оболочка ядра сферической диэлектрической частицы с показателем преломления N обол , 7 – «горячие» точки в сферической частице (В на ядре, А на оболочке), 8 – зонд высокочастотного магнитного поля в ближней зоне частицы, 9 – вольтметр.Designations: 1 – source of monochromatic radiation (laser, maser, backward wave lamp, etc.), 2 – electromagnetic wave shaper with a flat wave front (horn antenna, lens antenna, mirror antenna), 3 – generated electromagnetic radiation, 4 – spherical dielectric meso-sized particle, 5 – core of a spherical particle with refractive index N core , 6 – shell of the core of a spherical dielectric particle with refractive index N obol , 7 – “hot” spots in a spherical particle (B on the core, A on the shell), 8 – high-frequency magnetic field probe in the near zone of the particle, 9 – voltmeter.
В результате проведенных исследований было установлено, что с увеличением показателя преломления материала ядра сферической диэлектрической частицы и при увеличении диаметра частицы увеличивается интенсивность электрического и магнитного полей в горячих точках. As a result of the studies, it was found that with an increase in the refractive index of the material of the core of a spherical dielectric particle and with an increase in the diameter of the particle, the intensity of the electric and magnetic fields in hot spots increases.
Работа устройства происходит следующим образом. В качестве источника монохроматического когерентного электромагнитного излучения 1 может выступать, например, лазер в видимом и ИК диапазоне [Е. Гулевич, Н.Кондратюк, А. Протасеня. Перестраиваемые источники лазерного излучения УФ, видимого, ближнего и среднего ИК диапазона // Фотоника 3/2007, с.30-33], источники терагерцового и СВЧ излучения: лампа обратной волны, оротрон, генератор дифракционного излучения, диоды Ганна и т. д. [Gunn J.B. Microwave oscillation of current in III IV semiconductors. // Solid State Commun. 1963, Vol. 1, pp. 88-91; Братман В.Л. и др. Разработка вакуумных приборов терагерцового диапазона // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 - 11-20 с.; Goutam Chattopadhyay. Technology, capabilities, and performance of low power teraherz sources // IEEE Trans. On Terahertz science and technology, 2011, vol. 1, N 1, p.33-53]. The device operates as follows. The source of monochromatic coherent electromagnetic radiation 1 can be, for example, a laser in the visible and IR range [E. Gulevich, N. Kondratyuk, A. Protasenya. Tunable sources of laser radiation in the UV, visible, near and mid-IR ranges // Photonics 3/2007, p. 30-33], sources of terahertz and microwave radiation: backward wave lamp, orotron, diffraction radiation generator, Gunn diodes, etc. [Gunn J.B. Microwave oscillation of current in III IV semiconductors. // Solid State Commun. 1963, Vol. 1, pp. 88-91; Bratman V.L. and others. Development of vacuum devices in the terahertz range // Sat. Proceedings of the First Workshop “Generation and Application of Terahertz Radiation”, Novosibirsk, November 24-25, 2005, Institute of Nuclear Physics. G.I. Budkera, 2006 - 11-20 pp.; Goutam Chattopadhyay. Technology, capabilities, and performance of low power teraherz sources // IEEE Trans. On Terahertz science and technology, 2011, vol. 1, No. 1, p.33-53].
Генерация сигналов в заданном диапазоне частот и регистрация электрического сигнала от магнитного зонда от исследуемого объекта в СВЧ диапазоне может осуществляться векторным анализатором цепей ZNB-40 с рабочим дипазоном частот от 100 кГц до 40 ГГц. Плоская линейно поляризованная волна формировалась широкополосной измерительной рупорной антенной П6-123 с рабочим диапазоном частот 0,9−12 ГГц. Антенна выполнена на базе биортогонального Н-образного волновода и пирамидального квадратного рупора с ножевыми пластинами экспоненциальной формы, являющимися продолжением выступов Н-образного волновода. Возможно применение измерительной рупорной реконфигурируемой антенны П6-140X, которая предназначена для приема и передачи линейно поляризованного сигнала в диапазоне частот от 8,2 до 40 ГГц, по участкам диапазона частот: 8,2 ÷ 12,4 ГГц; 12,4 ÷ 18,0 ГГц; 18,0 ÷ 26,5 ГГц; 26,5 ÷ 40,0 ГГц. Generation of signals in a given frequency range and registration of an electrical signal from a magnetic probe from an object under study in the microwave range can be carried out by a ZNB-40 vector network analyzer with an operating frequency range from 100 kHz to 40 GHz. A plane linearly polarized wave was formed by a P6-123 broadband measuring horn antenna with an operating frequency range of 0.9–12 GHz. The antenna is made on the basis of a biorthogonal H-shaped waveguide and a pyramidal square horn with exponentially shaped knife plates, which are a continuation of the protrusions of the H-shaped waveguide. It is possible to use the measuring horn reconfigurable antenna P6-140X, which is designed to receive and transmit a linearly polarized signal in the frequency range from 8.2 to 40 GHz, in sections of the frequency range: 8.2 ÷ 12.4 GHz; 12.4 ÷ 18.0 GHz; 18.0 ÷ 26.5 GHz; 26.5 ÷ 40.0 GHz.
Магнитные поля могут измеряться с помощью магнитного зонда PBS2 с рабочим диапазоном частот от 0 до 9 ГГц с диаметром кольца 6 мм [https://ferria.su/product/pbs1-pbs2/] или с помощью магнитного зонда Beehive Electronics 100B EMC Probe с внутренним диаметром кольца детектора 3,7 мм. Плоскость кольца датчика магнитного поля была направлена вдоль вектора магнитного поля и векторов электрического поля падающего микроволнового излучения и перпендикулярна волновому вектору k.Magnetic fields can be measured using a PBS2 magnetic probe with an operating frequency range from 0 to 9 GHz with a ring diameter of 6 mm [https://ferria.su/product/pbs1-pbs2/] or using a Beehive Electronics 100B EMC Probe with The inner diameter of the detector ring is 3.7 mm. The plane of the magnetic field sensor ring was directed along the magnetic field vector and electric field vectors of the incident microwave radiation and perpendicular to the wave vector k .
Электромагнитное излучение, сформированное источником электромагниного излучения 1, освещает формирователь электромагнитной волны с плоским волновым фронтом 2 и формирует линейно поляризованную электромагнитную волну с плоским волновым фронтом 3, облучает прозрачную сферическую диэлектрическую мезоразмерную частицу 4, состоящую из ядра сферической частицы с показателем преломления N ядра 5, размещенного в диэлектрической оболочке 6 с показателем преломления N обол. При этом сферическая диэлектрическая частица 4 находится в среде с показателем преломления равного 1. The electromagnetic radiation generated by the electromagnetic radiation source 1 illuminates the electromagnetic wave shaper with a flat wave front 2 and forms a linearly polarized electromagnetic wave with a flat wave front 3, irradiates a transparent spherical dielectric meso-sized particle 4, consisting of a core of a spherical particle with a refractive index N of the core 5, placed in a dielectric shell 6 with a refractive index N about . In this case, the spherical dielectric particle 4 is in a medium with a refractive index equal to 1.
Показатель преломления ядра 5 частицы 4 превышает показатель преломления оболочки не менее чем в 1,6 раз, а показатель преломления оболочки 6 превышает показатель окружающей среды.The refractive index of the core 5 of particle 4 exceeds the refractive index of the shell by at least 1.6 times, and the refractive index of the shell 6 exceeds that of the environment.
При облучении двухслойной сферической частицы 4 электромагнитным излучением 3 в ядре 5 и оболочке 6 сферической частицы 4 могут сформироваться резонансные моды Ми высокого порядка, которые могут быть зарегистрированы приемником электромагнитного излучения 9 с помощью высокочастотного зонда 8.When a two-layer spherical particle 4 is irradiated with electromagnetic radiation 3, high-order Mie resonant modes can be formed in the core 5 and shell 6 of the spherical particle 4, which can be detected by the electromagnetic radiation receiver 9 using a high-frequency probe 8.
В качестве приемника электромагнитного излучения 8 в оптическом диапазоне длин волн могут быть использованы, например, фотодиоды, а в терагерцовом и СВЧ диапазонах диоды Шоттки, болометры, пироприемники [Кубарев В.В. Детекторы терагерцового излучения // Сб. трудов Первого рабочего совещания «Генерация и применение терагерцового излучения», Новосибирск, 24-25 ноября 2005 г., Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера, 2006 - 35-40 с.; Техника субмиллиметровых волн. Колл. авторов под ред. Р.А. Валитова - М.: Советское радио, 1969, 480 с.].As a receiver of electromagnetic radiation 8 in the optical wavelength range, for example, photodiodes can be used, and in the terahertz and microwave ranges, Schottky diodes, bolometers, pyroelectric detectors [Kubarev V.V. Detectors of terahertz radiation // Sat. Proceedings of the First Workshop “Generation and Application of Terahertz Radiation”, Novosibirsk, November 24-25, 2005, Institute of Nuclear Physics. G.I. Budkera, 2006 - 35-40 pp.; Submillimeter wave technique. Coll. authors ed. R.A. Valitova - M.: Soviet radio, 1969, 480 pp.].
В результате проведенных исследований оказалось, что в случае, когда мезоразмерная диэлектрическая частица 4 выполняется двухслойной, с показателем преломления материала ядра 5 превышающим показатель преломления материала оболочки 6 не менее чем в 1,6 раз, а показатель преломления материала оболочки 6 превышает показатель преломления окружающей среды и одновременного формирования горячих точек вокруг полюсов ядра 5 и оболочки 6 сферической частицы 4 вдоль направления распространения излучения с максимальными уровнями напряженности электрического и магнитного полей. При этих условиях возникает эффект суперрезонанса и диэлектрические двухслойные сферы с определенными параметрами размера и изготовленные из материала с малыми потерями, например, стекла, кварца, фторопласта могут стимулировать гигантскую напряженность поля в сингулярностях, а затем образовывать по две горячие точки 7 вокруг полюсов ядра 5 и оболочки 6 и могут поддерживать так называемые «суперрезонансные моды». Особенностью этого типа резонанса является то, что величина напряженности магнитного поля существенно превышает величину напряженности электрического поля в горячих точках.As a result of the studies, it turned out that in the case when the mesosized dielectric particle 4 is made of two layers, with the refractive index of the core material 5 exceeding the refractive index of the shell material 6 by at least 1.6 times, and the refractive index of the shell material 6 exceeds the refractive index of the environment and the simultaneous formation of hot spots around the poles of the core 5 and shell 6 of the spherical particle 4 along the direction of propagation of radiation with maximum levels of electric and magnetic fields. Under these conditions, a super-resonance effect occurs and dielectric two-layer spheres with certain size parameters and made of a material with low losses, for example, glass, quartz, fluoroplastic, can stimulate gigantic field strength in singularities, and then form two hot spots 7 around the poles of the core 5 and shells 6 and can support so-called “super-resonant modes”. A feature of this type of resonance is that the magnitude of the magnetic field strength significantly exceeds the magnitude of the electric field strength in hot spots.
Известно обобщение теории Ми для однородной сферы на случай многослойных частиц сферической формы, полученное с использованием надлежащих граничных условий в ряде работ. С начала в [Aden A.L., Kerker M. Scattering of Electromagnetic Waves from Two Concentric Spheres // J. Appl. Phys. – 1951. – Vol. 22. – No. 10. – P. 1242-1246; Gu¨ttler A. Mie’s theory of diffraction by dielectric spheres with absorbing cores, and its significance for problems of interstellar matter and of the atmospheric aerosol // Ann. Phys. (Leipzig). – 1952. – Vol. 11. – P. 65-98; Suzuki H., Sandy Lee I.-Y. Mie scattering field inside and near a coated sphere: Computation and biomedical applications // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. — 2013. — Vol. 126. — P. 56–60; Bashevoy M. V., Fedotov V. A., Zheludev N. I. Optical whirlpool on an absorbing metallic nanoparticle // Opt. Express. — 2005. — Vol. 13, no. 21. — P. 8372– 8379] стандартная теория Ми была распространена на случай частиц с одним дополнительным внешним слоем. Обобщение на произвольное число слоев было выполнено в [Bhandari R. Scattering coefficients for a multilayered sphere: analytic expressions and algorithms // Appl. Opt. – 1985. – Vol. 24. – No. 13. – P. 1960-1967.] с использованием матричного формализма и в [Sinzig J., Quinten M. Scattering and absorption by spherical multilayer particles // Appl. Phys. A. – 1994. – Vol. 58. – No. 2. – P. 157-162.] на основе рекуррентных соотношений для коэффициентов рассеяния света многослойной сферической частицей. Эта теория была обобщена на случай многослойной сферы с произвольным числом слоёв [Yang W. Improved recursive algorithm for light scattering by a multilayered sphere // Applied Optics. — 2003. — Vol. 42, no. 9. — P. 1710–1720; Peña O., Pal U. Scattering of electromagnetic radiation by a multilayered sphere // Computer Physics Communications. — 2009. — Vol. 180, no. 11. — P. 2348–2354; K. Ladutenko, U. Pal, A. Rivera, O. Peña-Rodríguez Mie calculation of electromagnetic near-field for a multilayered sphere // Computer Physics Communications. — 2017. — Vol. 214. — P. 225–230.].There is a known generalization of the Mie theory for a homogeneous sphere to the case of multilayer spherical particles, obtained using appropriate boundary conditions in a number of works. From the beginning in [Aden A.L., Kerker M. Scattering of Electromagnetic Waves from Two Concentric Spheres // J. Appl. Phys. – 1951. – Vol. 22. – No. 10. – P. 1242-1246; Gu¨ttler A. Mie’s theory of diffraction by dielectric spheres with absorbing cores, and its significance for problems of interstellar matter and of the atmospheric aerosol // Ann. Phys. (Leipzig). – 1952. – Vol. 11. – P. 65-98; Suzuki H., Sandy Lee I.-Y. Mie scattering field inside and near a coated sphere: Computation and biomedical applications // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. — 2013. — Vol. 126. - P. 56–60; Bashevoy M. V., Fedotov V. A., Zheludev N. I. Optical whirlpool on an absorbing metallic nanoparticle // Opt. Express. - 2005. - Vol. 13, no. 21. - P. 8372–8379] standard Mie theory was extended to the case of particles with one additional outer layer. Generalization to an arbitrary number of layers was performed in [Bhandari R. Scattering coefficients for a multilayered sphere: analytic expressions and algorithms // Appl. Opt. – 1985. – Vol. 24. – No. 13. – P. 1960-1967.] using matrix formalism and in [Sinzig J., Quinten M. Scattering and absorption by spherical multilayer particles // Appl. Phys. A. – 1994. – Vol. 58. – No. 2. – P. 157-162.] based on recurrent relations for the light scattering coefficients of a multilayer spherical particle. This theory was generalized to the case of a multilayer sphere with an arbitrary number of layers [Yang W.Improved recursive algorithm for light scattering by a multilayered sphere // Applied Optics. - 2003. - Vol. 42, no. 9. - P. 1710–1720; Peña O., Pal U.Scattering of electromagnetic radiation by a multilayered sphere // Computer Physics Communications. - 2009. - Vol. 180, no. 11. - P. 2348–2354; K. Ladutenko, U. Pal, A. Rivera, O. Peña-Rodríguez Mie calculation of electromagnetic near-field for a multilayered sphere // Computer Physics Communications. — 2017. — Vol. 214. - P. 225–230.].
В результате проведенных численных экспериментов на основе теории Ми установлено, что интенсивность электрического и магнитного полей внутри двухслойной сферической диэлектрической частицы зависит от показателей преломления материала ядра и оболочки и изменением относительного показателя преломления материала ядра и оболочки сферической частицы можно достичь условия появления суперрезонансных мод Ми с максимальным уровнем напряженности электрического и магнитных полей в горячих точках.As a result of numerical experiments based on the Mie theory, it was established that the intensity of the electric and magnetic fields inside a two-layer spherical dielectric particle depends on the refractive indices of the material of the core and shell, and by changing the relative refractive index of the material of the core and shell of the spherical particle, it is possible to achieve conditions for the appearance of superresonant Mie modes with a maximum level of electric and magnetic field strength in hot spots.
При исследовании двухслойной диэлектрической сферы расположенной в воздухе и с диаметром 5 мкм (D/λ~7,9) и ее облучении электромагнитной волной на длине волны 632,8 нм с плоским фронтом, при ее ядре выполненного из материала с показателем преломления равного 1,9 и показателем преломления оболочки равного 1,5 было получено, что возникает резонанс Ми на ядре и оболочке и в области горячих точек на оболочке электрическое и магнитное поля больше электрического и магнитного полей в горячих точках на ядре. Интенсивность электрического поля превышает интенсивность магнитного поля в горячих точках на оболочке в 1,3 раза и на ядре в 3 раза.When studying a two-layer dielectric sphere located in air and with a diameter of 5 microns ( D /λ ~ 7.9) and irradiating it with an electromagnetic wave at a wavelength of 632.8 nm with a flat front, with its core made of a material with a refractive index equal to 1, 9 and the refractive index of the shell equal to 1.5, it was found that a Mie resonance occurs on the core and shell, and in the region of hot spots on the shell, the electric and magnetic fields are greater than the electric and magnetic fields in the hot spots on the core. The intensity of the electric field exceeds the intensity of the magnetic field at hot spots on the shell by 1.3 times and on the core by 3 times.
При исследовании двухслойной диэлектрической сферы расположенной в воздухе и с диаметром 6 мкм (D/λ~9,5) и ее облучении электромагнитной волной на длине волны 632,8 нм с плоским фронтом, при ее ядре выполненного из материала с показателем преломления равного 2,5 и показателем преломления оболочки равного 1,5 было получено, что возникает суперрезонанс на ядре и оболочке и в области горячих точек на ядре электрическое и магнитное поля больше электрического и магнитного полей в горячих точках на оболочке. Интенсивность магнитного поля превышает интенсивность электрического поля в горячих точках на ядре в 18 раз и на оболочке в 1,3 раза.When studying a two-layer dielectric sphere located in air and with a diameter of 6 microns ( D /λ~9.5) and irradiating it with an electromagnetic wave at a wavelength of 632.8 nm with a flat front, with its core made of a material with a refractive index of 2, 5 and the refractive index of the shell equal to 1.5, it was found that superresonance occurs on the core and shell, and in the region of hot spots on the core, the electric and magnetic fields are greater than the electric and magnetic fields in the hot spots on the shell. The intensity of the magnetic field exceeds the intensity of the electric field at hot spots on the core by 18 times and on the shell by 1.3 times.
При исследовании двухслойной диэлектрической сферы расположенной в воздухе и с диаметром 6 мкм (D/λ~9,5) и ее облучении электромагнитной волной на длине волны 632,8 нм с плоским фронтом, при ее ядре выполненного из материала с показателем преломления равного 3,0 и показателем преломления оболочки равного 1,5 было получено, что возникает суперрезонанс на ядре и оболочке и в области горячих точек на ядре электрическое и магнитное поля больше электрического и магнитного полей в горячих точках на оболочке. Интенсивность магнитного поля превышает интенсивность электрического поля в горячих точках на ядре в 15 раз и на оболочке в 1,8 раза. При этом максимальная интенсивность магнитного и электрических полей в горячих точках превышает интенсивность магнитного и электрического полей в освещающей волне в 103–104 раз для рассматриваемых примеров.When studying a two-layer dielectric sphere located in air and with a diameter of 6 microns ( D /λ~9.5) and irradiating it with an electromagnetic wave at a wavelength of 632.8 nm with a flat front, with its core made of a material with a refractive index of 3, 0 and the refractive index of the shell equal to 1.5, it was found that superresonance occurs on the core and shell, and in the region of hot spots on the core, the electric and magnetic fields are greater than the electric and magnetic fields in the hot spots on the shell. The intensity of the magnetic field exceeds the intensity of the electric field at hot spots on the core by 15 times and on the shell by 1.8 times. In this case, the maximum intensity of the magnetic and electric fields in hot spots exceeds the intensity of the magnetic and electric fields in the illuminating wave by 10 3 –10 4 times for the examples under consideration.
В оптическом диапазоне длин волн в качестве материала ядра и оболочки сферической частицы могут использоваться различные полимеры и стекла, прозрачные для излучения [Kong S.-C., Tafl ove A. & Backman V. Quasi one-dimensional lifht beam generated by a graded-index microsphere // Opt. Express. 2009 Vol. 17, Is s. 5 P. 3722–3731. DOI: 10.1364/oe.18.003722.]. Известна реализация микросфер состоящих из 5, 10 или 100 различных концентрических оболочек, изготовленных по технологии приведенной в работе [E. Prodan, C. Radloff, N. J. Halas, and P. Nordlander, A hybridization model for the plasmon response of complex nanostructures // Science 302, 419-422 (2003).]. Показатели преломления от 1,4 до 1,9 можно получить из различных доступных стекол [O. V. Mazurin, M. V. Streltsina, and T. P. Shvaiko-Shavaikovskaya, Handbook of Glass Data (Elsevier, Amsterdam, 1993). ]. In the optical wavelength range, various polymers and glasses that are transparent to radiation can be used as the material of the core and shell of a spherical particle [Kong S.-C., Tafl ove A. & Backman V. Quasi one-dimensional life beam generated by a graded index microsphere // Opt. Express. 2009 Vol. 17, Is. 5 P. 3722–3731. DOI: 10.1364/oe.18.003722.]. There is a known implementation of microspheres consisting of 5, 10 or 100 different concentric shells, manufactured using the technology given in [E. Prodan, C. Radloff, N. J. Halas, and P. Nordlander, A hybridization model for the plasmon response of complex nanostructures // Science 302, 419-422 (2003). Refractive indices between 1.4 and 1.9 can be obtained from various available glasses [O. V. Mazurin, M. V. Streltsina, and T. P. Shvaiko-Shavaikovskaya, Handbook of Glass Data (Elsevier, Amsterdam, 1993). ].
В качестве диэлектриков с различными величинами показателя преломления в СВЧ и КВЧ диапазонах могут использоваться, в зависимости от используемого спектрального диапазона, различные стекла, полимеры [Молотков Н.Я., Ломакина О.В., Егоров А.А. Оптика и квазиоптика СВЧ / Тамбов: Изд-во Тамб. Гос. Техн. Ун-та, 2009. – 380 с.], например, полиэтилен, полипропилен, политетраметилпентен, полистирол, фторопласт и т.д., керамика, композиционные материалы, искусственные материалы, и т.д. Depending on the spectral range used, various glasses and polymers can be used as dielectrics with different refractive index values in the microwave and EHF ranges [Molotkov N.Ya., Lomakina O.V., Egorov A.A. Microwave optics and quasi-optics / Tambov: Tamb Publishing House. State Tech. Univ., 2009. – 380 p.], for example, polyethylene, polypropylene, polytetramethylpentene, polystyrene, fluoroplastic, etc., ceramics, composite materials, artificial materials, etc.
Например, полистирол имеет показатель преломления материала 1,59 в диапазоне от 0,6 до 30 мм, полиэтилен 1,51–1,52, полипропилен 1,51, ТРХ 1,46, фторопласт 4 - 1,44, плавленый кварц 1,95–2,00, кремний 3,41, германий 4,0, арсенид галлия 3,6, керамика AL2O3 3,03, ферриты: 1С44 3,62, 10 СЧ46 3,9 [Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimeter waves.-Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p. ] и т.д. Перспективно использование композиционных материалов. Композиционным материалом, или композитом, называют объемную гетерогенную систему, состоящую из сильно различающихся по свойствам, взаимно нерастворимых компонентов, например, связующий материал-матрицу, в качестве которой используют, полимеры, эластомеры, смолы и т.д. и второй компонент – наполнитель в виде порошков различных материалов [Е. Е. Чигряй, И. П. Никитин. Свойства композита полистирол-рутил на миллиметровых волнах // Журнал Радиоэлектроники, N9, 2018, DOI 10.30898/1684-1719.2018.9.20]. Так, например, в качестве первого компонента может использоваться полистирол с удельным весом ρ = 1,06 кг/м3. В диапазоне частот от 70 ГГц до 300 ГГц диэлектрическая проницаемость полистирола остается постоянной и равна ε~ 2,523 ± 0,5%, а в качестве второго компонента рутил (TiO2), который имеет показатель преломления n = 9,4 (изменение n в диапазоне частот 180-600 ГГц составляет менее 0,1). Потери составляют от 1,5 дБ/мм на частоте 210 ГГц до 6,0 дБ/мм на частоте 450 ГГц, увеличиваясь пропорционально квадрату частоты. На частоте 70 ГГц потери составляют 1,7 дБ/см. For example, polystyrene has a material refractive index of 1.59 in the range from 0.6 to 30 mm, polyethylene 1.51–1.52, polypropylene 1.51, TPX 1.46, fluoroplastic 4 - 1.44, fused silica 1, 95–2.00, silicon 3.41, germanium 4.0, gallium arsenide 3.6, AL ceramics2O3 3.03, ferrites: 1С44 3.62, 10 SCh46 3.9 [Minin O.V., Minin I.V. Diffractional optics of millimeter waves.-Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2004. – 396 p. ] etc. The use of composite materials is promising. A composite material, or composite, is a three-dimensional heterogeneous system consisting of mutually insoluble components that differ greatly in properties, for example, a binder material-matrix, which is used as polymers, elastomers, resins, etc. and the second component is a filler in the form of powders of various materials [E. E. Chigryai, I. P. Nikitin. Properties of the polystyrene-rutile composite at millimeter waves // Journal of Radioelectronics, N9, 2018, DOI 10.30898/1684-1719.2018.9.20]. So, for example, polystyrene with a specific gravity ρ = 1.06 kg/m can be used as the first component3. In the frequency range from 70 GHz to 300 GHz, the dielectric constant of polystyrene remains constant and is equal to ε~ 2.523 ± 0.5%, and the second component is rutile (TiO2), which has a refractive indexn= 9.4 (changenin the frequency range 180-600 GHz is less than 0.1). Loss ranges from 1.5 dB/mm at 210 GHz to 6.0 dB/mm at 450 GHz, increasing with the square of the frequency. At 70 GHz the loss is 1.7 dB/cm.
В результате проведенных численных экспериментов на основе теории Ми установлено, что интенсивность электрического и магнитного полей внутри двухслойной сферической диэлектрической частицы зависит от показателей преломления материалов ядра и оболочки и можно достичь условия появления суперрезонансных мод Ми с максимальным уровнем напряженности электрического и магнитных полей в горячих точках одновременно на ядре и оболочке. As a result of numerical experiments based on the Mie theory, it was established that the intensity of the electric and magnetic fields inside a two-layer spherical dielectric particle depends on the refractive indices of the core and shell materials and it is possible to achieve the condition for the appearance of superresonant Mie modes with a maximum level of electric and magnetic field strength in hot spots simultaneously on the core and shell.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2806895C1 true RU2806895C1 (en) | 2023-11-08 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2820794C1 (en) * | 2024-02-05 | 2024-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования " Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method of creating strong magnetic fields in mesoscale particles |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU192922A1 (en) * | ||||
| RU2331979C1 (en) * | 2007-02-28 | 2008-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" | Source of pulse magnetic field |
| EP1927005B1 (en) * | 2005-09-23 | 2010-07-21 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY | Device for determining the strength of the magnetic field of an electromagnet |
| WO2017007431A1 (en) * | 2015-07-09 | 2017-01-12 | National University Of Singapore | Microsphere for generating a photonic nanojet |
| US20170352460A1 (en) * | 2015-08-17 | 2017-12-07 | Yuhuan Cnc Machine Tool Co., Ltd | Magnetic field generation apparatus of magnetorheological polishing device |
| RU181086U1 (en) * | 2017-11-01 | 2018-07-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | LENS |
| CN109557687A (en) * | 2019-01-22 | 2019-04-02 | 石家庄铁道大学 | The preparation method and photoswitch of Mie resonator, dielectric particle, photoswitch |
| US20200249451A1 (en) * | 2019-02-06 | 2020-08-06 | National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc | Optical devices enabled by vertical dielectric Mie resonators |
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU192922A1 (en) * | ||||
| EP1927005B1 (en) * | 2005-09-23 | 2010-07-21 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY | Device for determining the strength of the magnetic field of an electromagnet |
| RU2331979C1 (en) * | 2007-02-28 | 2008-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" | Source of pulse magnetic field |
| WO2017007431A1 (en) * | 2015-07-09 | 2017-01-12 | National University Of Singapore | Microsphere for generating a photonic nanojet |
| US20170352460A1 (en) * | 2015-08-17 | 2017-12-07 | Yuhuan Cnc Machine Tool Co., Ltd | Magnetic field generation apparatus of magnetorheological polishing device |
| RU181086U1 (en) * | 2017-11-01 | 2018-07-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | LENS |
| CN109557687A (en) * | 2019-01-22 | 2019-04-02 | 石家庄铁道大学 | The preparation method and photoswitch of Mie resonator, dielectric particle, photoswitch |
| US20200249451A1 (en) * | 2019-02-06 | 2020-08-06 | National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc | Optical devices enabled by vertical dielectric Mie resonators |
| RU2795609C1 (en) * | 2022-07-19 | 2023-05-05 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method for creating strong magnetic fields in mesoscale particles |
| RU2784213C1 (en) * | 2022-10-05 | 2022-11-23 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method for generating higher-order mie resonant modes in mesoscale cavities of a dielectric material |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2820794C1 (en) * | 2024-02-05 | 2024-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования " Сибирский государственный университет геосистем и технологий" | Method of creating strong magnetic fields in mesoscale particles |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sadrieva et al. | Experimental observation of a symmetry-protected bound state in the continuum in a chain of dielectric disks | |
| Baryshnikova et al. | Giant magnetoelectric field separation via anapole-type states in high-index dielectric structures | |
| Gupta et al. | Toroidal metasurfaces in a 2D flatland | |
| Ziolkowski et al. | Reciprocity between the effects of resonant scattering and enhanced radiated power by electrically small antennas in the presence of nested metamaterial shells | |
| Luk’Yanchuk et al. | Optical phenomena in dielectric spheres several light wavelengths in size: A review | |
| Darvishzadeh-Varcheie et al. | Magnetic nanoantennas made of plasmonic nanoclusters for photoinduced magnetic field enhancement | |
| Tribelsky et al. | Resonant scattering of electromagnetic waves by small metal particles: A new insight into the old problem | |
| Yevtushenko et al. | Optical diffraction radiation from a dielectric and a metal nanowire excited by a modulated electron beam | |
| Wang et al. | Circuit-based magnetic hyperbolic cavities | |
| Novin et al. | Field enhancement in metamaterial split ring resonator aperture nano-antenna with spherical nano-particle arrangement | |
| Jabbar et al. | Wideband polarization insensitive tunable graphene-supported terahertz metamaterial absorber | |
| Minin et al. | Unusual optical effects in dielectric mesoscale particles | |
| Pham et al. | Enhanced transmission efficiency of magneto-inductive wave propagating in non-homogeneous 2-D magnetic metamaterial array | |
| RU2806895C1 (en) | Method for creating magnetic fields in meso-sized dielectric spherical two-layer particles | |
| Baryshnikova et al. | Metalenses for subwavelength imaging | |
| Li et al. | Core-shell nanowire optical antennas fed by slab waveguides | |
| Bhardwaj et al. | Near-field and far-field optical properties of magnetic plasmonic core-shell nanoparticles with non-spherical shapes: A discrete dipole approximation study | |
| Arslanagic et al. | Directive properties of active coated nano-particles | |
| Rybin et al. | Wide-band effective medium theory for a cubic array of metallic spherical particles | |
| Vergeles et al. | All-dielectric light concentrator to subwavelength volume | |
| RU2795609C1 (en) | Method for creating strong magnetic fields in mesoscale particles | |
| Tharwat et al. | Enhanced plasmonic absorber based on a hexagonal annular nano-array and impact of imperfection | |
| Iqbal et al. | Effects of admittance and gyrotropy on the scattering due to chiro-ferrite medium coated microstructured PMC cylinder | |
| RU2820794C1 (en) | Method of creating strong magnetic fields in mesoscale particles | |
| RU216108U1 (en) | Optical cloaking device at superresonance Mie modes |