Дисперсионный анализ и регулируемые магнитные свойства двуосного гиперболического метаматериала на основе гетероструктур n-GaAs/AlGaAs

В данном исследовании представлены проектирование и теоретический анализ перестраиваемого двуосного гиперболического метаматериала (БГММ), построенного из слоистой гетероструктуры n-GaAs/AlGaAs под воздействием внешнего магнитного поля. Цель состоит в оптимизации перестраиваемости для управления формой дисперсии в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот. Используется модель приближения эффективной среды (ПЭС), демонстрирующая сосуществование двух волновых мод, а именно замкнутой эллипсоидальной и открытой гиперболоидальной изочастотной поверхности. Результаты показывают, что внешнее магнитное поле действует как мощный механизм настройки, позволяющий осуществлять спектральный сдвиг дисперсии и активное переключение между гиперболическими режимами типа I и типа II. Кроме того, анализируются условия, необходимые для достижения экстремального сжатия изочастотной поверхности (ИЗП), что имеет важное значение для управления направлением луча. Это сжатие происходит, когда одна из компонент диэлектрической проницаемости достигает чрезвычайно больших значений, что приводит к образованию почти плоских сегментов на изочастотной поверхности

1. Veselago V.G. The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ε and µ. Sov. Phys. Uspekhi, 1968, 10 (4), P. 509–514.

2. Smith D.R., et al. Metamaterials and Negative Refractive Index. Science, 2004, 305 (5685), P. 788–792.

3. Krushynska A.O., et al. Fundamentals and applications of metamaterials: Breaking the limits. App. Phys. Lett., 2023, 123, 240401.

4. Ritchie R.H. Plasma losses by fast electrons in thin films. Phys. Rev., 1957, 106 (5), P. 874–881.

5. Liu Y., Zhang X. Metamaterials: A new frontier of science and technology. Chem. Soc. Rev., 2011, 40 (5), P. 2494–2507.

6. Kshetrimayum R.S. A brief intro to metamaterials. IEEE Potentials, 2004, 23 (5), P. 44–46.

7. Yan R., et al. High sensitive plasmonic nanorod hyperbolic metamaterial biosensor. Photonics Research, 2022, 10 (1), P. 84–95.

8. Alu A., Silveirinha M.G., Saladrino A., Engheta N. Epsilon-near zero metamaterials and electromagnetic sources: Tailoring the radiation phase ` pattern. Phys. Rev. B, 2007, 75 (15), 155410.

9. Chen H.T., et al. Active terahertz metamaterial devices. Nature, 2006, 444 (7119), P. 597–600.

10. Ren Z., et al. Terahertz metamaterials inspired by quantum phenomena. Research, 2025, 8 (1), P. 1–28.

11. Ma Q., Hu H., Huang E., Liu Z. Super-resolution imaging by metamaterial-based compressive spatial-to-spectral transformation. Nanoscale, 2017, 9 (46), P. 18268–18274.

12. Khurgin J.B. Enhanced spontaneous emission inside hyperbolic metamaterials. Opt. Express, 2014, 22 (4), P. 4301–4306.

13. Wang B. X., et al. Review of broadband metamaterial absorbers: From principles, design strategies, and tunable properties to functional applications. Adv. Func. Mat., 2023, 33 (14), 2213818.

14. Poddubny A., Iorsh I., Belov P., Kivshar Y. Hyperbolic metamaterials. Nat. Photonics, 2013, 7, P. 948–957.

15. Zheludev N.I., et al. The new phase of light. Nat. Photonics, 2020, 14, P. 337–338.

16. Chen B., et al. Hyperbolic metasurfaces enable enhancement and regulation of near-field radiative heat transfer. Int. J. Heat Mass Transf., 2025, 169, 109608.

17. Chern R.-L, Yu Y.-Z. Chiral surface waves on hyperbolic-gyromagnetic metamaterials. Opt. Expr., 2017, 25 (10), P. 11801–11812.

18. Bulgakov A.A., Fedorin I. Surface electromagnetic waves in thin-layer biaxial structure in a magnetic field. J. Electr. Mat., 2012, 54, P. 1566–1574.

19. Kuznetsov E.V., Merzlikin A.M. Light propagation in a magneto-optical hyperbolic biaxial crystal. Opt. Comm., 2017, 405, P. 164–170.

20. Song X., Liu Z., Xiang Y., Aydin K. Biaxial hyperbolic metamaterials using anisotropic few-layer black phosphorus. Opt. Express, 2018, 26 (5), P. 5469–5477.

21. Eylink K. G., et al. Determination of critical parameters for design of semiconductor hyperbolic metamaterials. Opt. Materials, 2021, 112, 110576.

22. Bulgakov A.A., Fedorin I.V. Electrodynamic properties of a thin-film periodic structure in an external magnetic field. Opt., Quant. Electr., 2011, 56, P. 510–514.