Homogenization of nonlocal wire metamaterial via a renormalization approach
众所周知，定义超材料的局部折射率要求波长相对于其微观结构的尺度（通常为周期）较大。然而，反过来并不成立。有简单的结构，如无限的，完美的导线介质，保持非本地任意大的波长周期比。在这项工作中，我们将这些结果扩展到更现实和相关的情况下，有限导电性的有限导线介质。在准静态制度的超材料是由一个非本地的介电常数，这是使用两个尺度重整化方法解析获得。通过全矢量三维有限元计算，其精度进行了测试和确认。此外，有限线介质表现出大的吸收和小的反射，而它们的低填充因子允许相当大的自由度来控制超材料的其他特性，例如其机械、热或化学鲁棒性。
2010-03-31 physics.comp-ph physics.optics
Metamaterial Eigenmodes beyond Homogenization
超材料均匀化理论通常从零阶的某些限制（如小频率，波矢量和材料填充分数）有效的粗略近似开始。在某些情况下，他们仍然令人惊讶的强大超过他们的初始假设，如完善的麦克斯韦-加内特理论的椭圆夹杂物，可以产生可靠的结果，填充分数远远高于其理论限制。在这里，我们提出了一个严格的解决方案麦克斯韦方程组的二元周期性材料采用联合格林-伽辽金程序，以获得一个低维的本征问题的倏逝Floquet本征模式的材料。在其一般形式中，我们的方法提供了一个精确的解决方案的多值复杂的Floquet带结构，目前无法获得与既定的求解器。因此，它被证明是有效的制度，均匀化理论自然打破。对于较小的频率和波数，在最低阶，我们的方法简化为Maxwell-Garnett结果的二维柱和三维球填充。因此，它提供了缺失的解释，为什么Maxwell-Garnett在高达约$50\%$的极高填充分数下工作良好，这取决于基础材料，前提是夹杂物排列在各向同性晶格上。
2022-01-24 physics.comp-ph physics.optics
Nonlocal homogenization for nonlinear metamaterials
我们提出了一个一致的理论方法来计算有效的非线性极化率的异向介质，同时考虑频率和空间色散。采用离散偶极子模型，我们证明了空间色散的影响变得特别明显的有效介电常数共振附近的非线性介电常数达到其最大值。在这种情况下，空间色散可以使得能够同时生成具有相同频率和偏振但不同波矢量的两个谐波信号。我们还证明了，当空间色散效应可以忽略时，非线性极化率的推导表达式转化为已知的形式。除了揭示新的物理现象，我们的结果提供了有用的理论工具，分析谐振非线性超材料。
2016-03-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Unified Homogenization Theory for Magnetoinductive and Electromagnetic Waves in Split Ring Metamaterials
介绍了一种考虑时间和空间色散的裂环异向介质均匀化方法。该程序是基于两个耦合系统的方程。第一个来自于将超材料近似为耦合LC电路的立方体排列，给出电流和局部磁场之间的关系。第二个方程来自宏观麦克斯韦方程组，给出了超材料的宏观磁场与平均磁化强度之间的关系。结果表明，电磁波和磁感应波在超材料中的传播，从这个分析。因此，所提出的时间和空间色散磁导率说明了超材料的波的完整频谱的表征。最后，它表明，所提出的理论是在良好的定量和定性协议与全波模拟。
2007-11-27 physics.optics
Efficient homogenization of multicomponent metamaterials: chiral effects
本文将基于 Haydock 表示的均匀化方法推广到任意多组分周期复合材料，并通过计算具有圆偏振带隙的 Bouligand 手性光子晶体验证了该方法与解析解高度一致。
2023-09-20 cond-mat.mes-hall physics.optics
Kapitza homogenization of deep gratings for designing dielectric metamaterials
我们从理论上研究了横向光栅对横向电波的介电响应的均匀化，其特征在于Kapitza条件，即介电常数随着调制深度的缩放而快速调制为大的波长与调制周期比。我们表明，所产生的有效介电常数，除了标准的平均基础的介电分布，有进一步的贡献所产生的快速和深的介电调制。这种贡献与另一种贡献相当，因此可以为设计介电超材料提供另一种方法。作为一个例子，我们讨论了一个有效的金属到介电过渡所产生的Kapitza的贡献，通过改变光栅深度。
2013-03-20 physics.optics
From Whitney Forms to Metamaterials: a Rigorous Homogenization Theory
一个严格的均匀化理论的超材料-人工周期性结构明智地设计控制电磁波的传播-发展。所有的粗粒度字段明确定义和有效的参数，然后推导出没有任何启发式的假设。该理论融合了两个概念：Smith & Pendry对场平均的物理见解和Whitney-Nedmont-Bossavit-Kotiuga插值的数学框架。所有的粗粒度场都是通过惠特尼形式定义的，并且精确地满足麦克斯韦方程。新的方法与几个分析和数值例子说明，并同意与已建立的结果（例如麦克斯韦-加内特公式和零细胞大小限制）的适用范围内，后者。的近似误差的来源和相应的合适的误差指标明确识别，以及进一步提高精度的系统路线。所提出的方法应该适用于超材料和电磁波以外的领域--例如声学和弹性。
2010-10-18 cond-mat.other physics.optics
Nonlocal homogenization theory in metamaterials: effective electromagnetic spatial dispersion and artificial chirality
我们开发，从第一原理，一个通用的和紧凑的形式主义预测的电磁响应的超材料与非磁性夹杂物在长波长的限制，包括空间色散到二阶。具体而言，通过诉诸一个合适的多尺度技术，我们表明，介质有效介电常数张量和一阶和二阶张量描述空间色散可以通过平均合适的空间快速变化的字段每个satysifing类静电方程内的超材料单位细胞进行评估。对于具有可忽略的二阶空间色散的超材料，我们利用一阶空间色散和互易双各向异性电磁响应的等价性，推导出一个简单的表达式的超材料的手征张量。这样的表达式使我们能够系统地分析复合空间对称性对电磁手征性的影响。我们发现，即使超材料是几何非手性的，即，它是从它的镜像不可区分的，它显示伪手性Ω电磁手性，如果需要恢复反射后的介电分布的旋转是$0^\circ$或$90^\circ$旋转围绕一个轴正交的反射平面。这两种对称的情况包括具有手征响应的二维和一维超材料。作为一个例子承认充分的分析描述，我们讨论一维的超材料，其单一的手征参数被证明是直接相关的超材料的介电分布的求积。
2015-01-22 physics.optics
Towards a piecewise-homogeneous metamaterial model of the collision of two linearly polarized gravitational plane waves
我们认为实验实现的Tamm介质是光学等效的两个线性偏振的引力平面波的碰撞作为一个分段均匀的超材料。我们的配方是基于均匀化的各向同性介电磁介质的定向椭球形纳米颗粒的非常简单的安排。逆Bruggeman均匀化被用来估计的组成介质的本构参数，体积分数和形状参数。所提出的公式适用于两个引力平面波相互作用的时空区域，不包括两个平面波聚焦点处非奇异Killing-Cauchy视界的紧邻区域。
2014-08-04 physics.optics
Homogenization procedure for a metamaterial and local violation of the second principle of thermodynamics
经典的晶体理论指出，要被认为是均匀的介质必须满足以下要求：a）基本单元的尺寸必须远小于入射波长; b）样品必须包含大量的基本单元，即它必须是宏观的波长。在这些条件下，可以引入宏观量来描述介质的光学响应。我们分析表明，对于一个对称的基本细胞，这些要求可以放宽，它是可以分配的介电常数和磁导率的复合结构，即使超材料不能被认为是均匀的上述要求下。然而，在某些情况下，有效介电常数和磁导率可能会在介质内部产生非物理的有效行为，尽管它们满足例如Kramers-Kronig对的要求，并且与结构外部的所有线性特性（即在所有频率下的反射，透射和吸收）一致。在某些情况下，即使介质不是磁活性的，介质也被分配磁响应。特别是，我们证明了均匀化过程可以导致局部违反热力学第二原理的介质。我们还表明，在非均匀的制度，它是不可能描述的非线性行为的结构使用有效参数的方法，尽管分配一个有效的线性折射率的可能性。
2008-08-07 physics.gen-ph physics.optics
Homogenizing metamaterials, three times
从三个不同的角度研究了由周期性布置的散射体集合制成的超材料的均匀化。具体地说，使用了多重散射理论、泛函分析、微分几何和优化的工具。给出了详细的数值结果，并揭示了不同方法之间的联系。
2012-11-08 cond-mat.mes-hall math-ph math.MP
Theoretical and numerical analysis of current-driven electromagnetic homogenization and the problem of effective medium parameters for finite samples
人工周期性复合材料（超材料）对电磁波的反射和折射只有在明确考虑介质边界和正确确定介质的两个有效参数--折射率和阻抗时，才能用有效介质理论精确地模拟。考虑无限周期复合材料的理论不满足上述条件。因此，它们不能以期望的精度通过有限样本对反射和透射进行建模，并且对于基于超材料的器件的设计没有用。作为一个有指导意义的例子，我们认为“电流驱动”的均匀化理论，这是最近得到普及。我们应用这个理论的情况下，一维周期性介质，其中精确和均匀化的结果可以得到解析的封闭形式。我们发现，超出了众所周知的零细胞的限制，电流驱动的均匀化的结果是不一致的确切的反射和透射特性的平板。
2013-09-23 physics.optics
Effective Constitutive Parameters of Plasmonic Metamaterials: A Direct Approach
我们介绍了最近提出的均匀化理论[Tsukerman，J. Opt. Soc. Am. B 28，577（2011）]，从而允许检索具有平行六面体单位单元的任何3D超材料的所有36个线性本构参数。有效参数直接定义为粗粒度字段对之间的线性关系，与从反射/透射数据或其他间接考虑获得这些参数的方法相反。该方法适用于等离子体超材料与球形金颗粒和开口环谐振器（SRR），分别。在这两种情况下，预期的物理行为几乎完美地再现，没有非物理的伪影。
2011-06-06 cond-mat.other physics.optics
Elliptical dichroism: operating principle of planar chiral metamaterials
我们采用均匀化技术的基础上的洛伦兹电子理论表明，平面手性结构（PCS）可以描述一个有效的介电张量类似的双轴椭圆二向色性晶体。这样的晶体表现得像一个PCS，因为它表现出其特有的光学特性，即，共同旋转的椭圆偏振本征态和不对称的，方向相关的传输左/右手入射波偏振。
2009-06-16 physics.optics
Topological transition in coated wire medium
本文提出了一种由平行金属线和介质层组成的超材料的非局部均匀化理论。结果表明，通过改变金属丝介电层与基质材料之间的介电对比度，可以使超材料的色散区从椭圆色散区转变为双曲线色散区，即发生拓扑转变.我们通过全波数值模拟证实了我们的理论预测。
2016-05-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Phase diagram for the transition from photonic crystals to dielectric metamaterials
光子晶体和超材料代表了两种看似不同的人工电磁介质，但它们通常由以周期性晶格排列的类似结构元件组成。重要的问题是如何区分这两种类型的周期性光子结构的参数，如介电常数和晶格间距，连续变化。在这里，我们讨论之间的过渡光子晶体和全介质的超材料，并介绍了一个相图和序参量的概念，这种结构的材料，基于米氏和布拉格共振的物理。我们表明，一个周期性的光子结构转换成超材料时，米氏间隙打开低于最低的布拉格带隙的均匀化方法可以证明和有效的磁导率变为负值。我们的理论方法证实了详细的微波实验组成的一个正方形晶格的玻璃管充满热水的亚晶。这种分析产生了对周期性光子结构的性质的深入了解，它也提供了一个有用的工具，用于设计不同类别的电磁材料在广泛的参数范围。
2015-07-31 cond-mat.mes-hall physics.optics
Locally Polarized Wave Propagation through Metamaterials' Crystallinity
波的传播控制在物理学的许多领域都具有重要意义。它可以实现与波长缩放的光子晶体，从而避免低频应用。相比之下，超材料是在深亚波长尺度上结构化的，因此通常通过均匀化来描述，忽略了晶胞结构。在这里，我们与微波表明，通过考虑其固有的结晶度，我们可以诱导波传播携带角动量内的一个亚波长尺度收集的电线。然后，受凝聚态物理中的量子谷-霍尔效应的启发，我们利用这种体圆偏振来产生沿着特定界面传播的模式。后者还携带边缘角动量，其在传播期间的守恒允许波通过设计在特定方向上路由。这项实验研究不仅证明了晶体超材料是一个简单的桌面平台，可以在宏观尺度上模拟令人兴奋的固态物理现象，而且还为晶体偏振亚波长波导打开了大门。
2018-09-26 cond-mat.mes-hall physics.class-ph physics.optics
Observation of photonic Fermi arcs in topological metamaterials
拓扑相的发现为最初在量子背景下研究的各种有趣的物理学引入了新的视角和平台，然后在平等的基础上，在经典的波动系统中，如光子学，声学和力学。非平凡费米弧作为一个特征，连接拓扑上不同的费米面，在澄清狄拉克和外尔半金属中起着至关重要的作用，并且最近在量子材料中被观察到。然而，在经典系统中，到目前为止还没有直接的实验观测到费米弧的动量空间。在这里，使用近场扫描测量，我们观察到一个光子费米弧连接的拓扑结构不同的体态的手征双曲型超材料。为了验证该系统的拓扑性质，我们进一步观察了非平凡表面波在三维物理台阶上的后向散射免疫传播。我们的研究结果表明，超材料的拓扑光子学的方法，并提供了一个更深入的理解三维经典系统的拓扑相。
2017-06-05 physics.optics
High-frequency homogenization of zero frequency stop band photonic and phononic crystals
我们提出了一个准确的方法来表示波的物理，周期性结构，通过有效的性能更换散装介质：这是有效的，即使是零频率阻带和高频现象占主导地位的媒体。自1892年瑞利勋爵的工作以来，低频（或准静态）行为已被整齐地封装在有效的各向异性介质中。然而，这种经典的均匀化理论在高频或阻带区域中失效。高频现象在光子学（在无限传导平行纤维中传播的横向磁波）、声子学（在具有夹杂物的各向同性弹性材料中传播的反平面剪切波）和柏拉图学（在具有孔的薄弹性板中传播的弯曲波）中具有重要意义。幸运的是，最近提出的高频均匀化（HFH）理论仅受驻波知识的约束，以便渐近重建色散曲线和相关的Floquet-Bloch本征场：它能够准确地表示零频率停止能带结构。均匀化方程是具有色散各向异性均匀化张量的偏微分方程，该张量表征有效介质。我们将HFH应用于超材料，利用Bloch色散曲线的微妙特征，如Dirac-like锥，以及阻带附近的零和负群速度，以实现令人兴奋的物理现象，如隐身，透镜和内窥镜效应。这些数值模拟使用有限元和HFH的预测相比。扩展HFH周期性的超胞，使完全重建的色散曲线，通过展开技术也被引入。
2013-04-21 physics.optics
