Magnetoplasmonic effects at the diffraction of terahertz waves on magnetically biased graphene metasurfaces

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. The purpose of this work is a numerical study of the features of magnetoplasmonic effects arising from the diffraction of THz waves on graphene metasurfaces in external magnetic fields. Materials and methods. The advantage of graphene over conventional plasmonic materials for use in plasmonic and magneto-optical devices is the high sensitivity of surface magnetoplasmon-polaritons to external magnetic fields, since the cyclotron frequency is comparable to the plasmonic frequency in the THz and far IR ranges. A numerical study of magnetoplasmonic resonances of graphene metasurfaces depending on the induction of an external magnetic field and modeling of 3D e-Field scattering patterns on an element of a graphene metasurface (rectangular graphene nanoribbon) was carried out using the CST Microwave Studio program. To solve the electrodynamic diffraction problem using MWS CST, a method was chosen to analyze a graphene metasurface (an infinite periodic 2D structure) by applying periodicity conditions that reduce the problem for an infinite structure to the analysis of one period. Results. The results of modeling the 3D e-Field scattering diagram on an element of a magnetically biased graphene metasurface (a rectangular graphene nanoribbon) of an incident TEM-wave of p- and s-polarization for the vertical and horizontal components of the diffracted field at magnetoplasmon resonance frequencies in the THz range. An analysis of magnetoplasmonic effects was performed based on the calculation of the ratio of components of the diffracted field and the axial ratio at the points of cross-section (φ=0˚) of the main lobe of the 3D e-Field scattering diagrams at normal incidence of a TEM-wave of p- and s-polarization. Conclusions. From the results of the numerical study of the characteristics of the magnetically biased graphene metasurfaces it follows that magnetoplasmonic effects are observed at resonant frequencies, i.e. the appearance of another component of the diffracted field, orthogonal to the exciting one, as well as the magneto-optical effects of rotation of the plane of polarization of the transmitted wave (Faraday effect), rotation of the plane of polarization and the appearance of ellipticity of a linearly polarized wave during reflection of a linearly polarized wave from the graphene surface (magneto-optical Kerr effect), depending on the magnitude of the external magnetic field.

About the authors

Galina S. Makeeva

Penza State University

Author for correspondence.
Email: radiotech@pnzgu.ru

Doctor of physical and mathematical sciences, professor, professor of the sub-department of radioengineering and radioelectronic systems

(40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Mikhail S. Nikitin

Penza State University

Email: radiotech@pnzgu.ru

Student

(40 Krasnaya street, Penza, Russia)

References

  1. Dapolito M., Tsuneto M., Zheng, W. et al. Infrared nano-imaging of Dirac magnetoexcitons in graphene. Nat. Nanotechnol. 2023;18:1409–1415. doi: 10.1038/s41565-023- 01488-y
  2. Gusynin V.P., Sharapov S.G., Carbotte J.P. Magneto-optical conductivity in graphene. Journal of Physics: Condensed Matter. 2007;19:026222.
  3. Crassee I., Levallois J., Walter A. et al. Giant Faraday rotation in single- and multilayer graphene. Nature Phys. 2011;7:48–51. doi: 10.1038/nphys1816
  4. Goerbig M.O. Electronic properties of graphene in a strong magnetic field. Reviews of Modern Physics. 2011;83:1193.
  5. Kuz'min D.A. Magneto-optical and plasmonic effects in graphene-based nanostructures. DSc dissertation. Chelyabinsk, 2022. (In Russ.)
  6. Ningning Wang, Linhui Ding, Weihua Wang. Chemical potential and magnetic field effects on graphene magnetoplasmons. Physical Review B. 2023;108(8):085406‒085415.
  7. Poumirol J.M., Liu P., Slipchenko T. et al. Electrically controlled terahertz magnetooptical phenomena in continuous and patterned graphene. Nature Communications. 2017;8:14626. doi: 10.1038/ncomms14626
  8. Ben Rhouma M., Guizal B., Bonnet P. et al. Semi-analytical model for the analysis of a magnetically biased 1D subwavelength graphene-strip-grating. Opt. Continuum. 2022;1:1144‒1156.
  9. Amanatiadis S.A., Ohtani T., Kanai Y. et al. Tuning of magnetosplamon coupling between graphene scatterers for the optimal design of adjustable metasurfaces. AIP Advances. 2024;14:025225. doi: 10.1063/9.0000808
  10. Maha Benrhouma, Kofi Sényo Edee, Brahim Guizal. Modeling the Excitation of Graphene Magnetoplasmons in Periodic Grating of Magnetostatic Biased Graphene Ribbons. PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium (PIERS), PIERS Academy. Prague, Czech Republic, 2023⟨hal-04172452⟩.
  11. Chamanara N., Caloz C. Graphene magnetoplasmonic principles, structures and devices. 2015 9th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP). Lisbon, Portugal, 2015:1‒2.
  12. Falkovsky L.A. Quantum magneto-optics of graphite with trigonal warping. Physical Review B. 2011;84(11):115414.
  13. CST Microwave Studio. 2023. Available at: https://www.3ds.com/products/simulia
  14. Kurushin A.A. Shkola proektirovaniya SVCh ustroystv v CST STUDIO = School of microwave design in CST STUDIO. Moscow, 2016:433. (In Russ.)
  15. Gomez-Diaz J.S., Alù A. Magnetically-biased graphene-based hyperbolic metasurfaces. 2016 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI). Fajardo, PR, USA, 2016:359‒360. doi: 10.1109/APS.2016.7695888
  16. Sounas D.L., Caloz C. Edge surface modes in magnetically biased chemically doped graphene strips. Applied Physics Letters. 2011;99(23):231902.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

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».