全介质超材料中的环形偶极子研究
全介质超材料中的环形偶极子研究
环形偶极子是一种特殊的电磁响应模式，与传统的电偶极子和磁偶极子不同。本文将介绍环形偶极子的基本概念、实现方法及其在全介质超材料中的应用。
基本概念
在介绍环形偶极子之前，我们先回顾一下电偶极子和磁偶极子的概念。电偶极子是由正负电荷分离产生的，而磁偶极子则是由电流的闭合循环产生的。环形偶极子（toroidal dipole）是一种特殊的基本电流激励，它与沿其子午线在格丹肯环面上循环的电流（所谓的极向电流）相对应，这一概念最早由泽尔多维奇在1957年提出。
实现方法
2010年，科学家在《Science》杂志上发表了一篇文章，提出通过构造特殊结构来实现环形偶极子。具体方法是通过开口谐振环引入磁偶极矩，再将磁偶极矩构造成一个环形，从而得到环形偶极矩。然而，这种方法存在一定的局限性，因为开口谐振环是金属材料，具有一定的损耗，难以在更高频段实现环形偶极子。
全介质实现方案
本文提出了一种利用全介质材料实现环形偶极子的方法。其基本原理与《Science》上的方法类似，都是在单个介质中产生环形电流，通过特殊的排布方式实现环形偶极子。这种方法避免了金属材料的损耗问题，可以在更高频段实现环形偶极子。
仿真与验证
根据文章中的参数，可以计算出该结构的透反射谱。原文使用CST仿真软件进行计算，而本文使用Comsol软件也得到了相同的结果。值得注意的是，文章中使用的材料具有色散特性，因此在设置材料参数时需要特别注意。
从仿真结果可以看出，第一个峰值是由环形偶极子的作用引起的。通过提取对应频率下的场分布，可以清晰地看到环形偶极子的形成。
多偶极子展开分析
为了量化不同极子的贡献，本文采用了多偶极子展开方法。这种方法可以分解出每种极子的贡献，从而更准确地理解复合结构的电磁响应。通过在Comsol中应用多偶极子展开公式，可以得到各种极子的分布情况。
分析结果显示，在特定频率下，环形偶极子占主导地位，证实了透反射峰是由环形偶极子引起的。
总结
本文提出并从理论上研究了一类新型的全介电超材料，它们在太赫兹光谱部分表现出谐振环面偶极响应。这些超材料基于高折射率介电圆柱体的亚波长簇，在谐振米氏散射下工作。研究证明，圆柱的各个Mie模式之间的近场耦合能够抑制所有标准多极，并使由于产生的环向偶极激励引起的电磁散射成为超材料响应的主要机制。这种超材料可以很容易地由低损耗的极化材料LiTaO3制成，并且由于环形偶极模式的独特拓扑结构，可以用作传感或增强光吸收的平台。
本文原文来自CSDN博客