Electromagnetic Waves

This book is dedicated to various aspects of electromagnetic wave theory and its applications in science and technology. The covered topics include the fundamental physics of electromagnetic waves, theory of electromagnetic wave propagation and scattering, methods of computational analysis, material characterization, electromagnetic properties of plasma, analysis and applications of periodic structures and waveguide components, and finally, the biological effects and medical applications of electromagnetic fields

Microwaves in dispersive magnetic composite media

Review discusses some special questions of physics of composite media (metamaterials), which are formed by elements made from natural materials of two kinds. The first ones are “carriers of permittivity” and are presented by plasma-like media and semiconductors. The second ones are “carriers of permeability” — they are presented by ferromagnets. Among such ferromagnets are ferrodielectrics (ferrites) and manganite-perovskite compounds. In the first chapter of the review some principal aspects of the electrodynamics of periodical structures — magnetophotonic crystals are considered. The questions of zone structure and possible violations of periodicity (Tamm states, defect mode) as well as the influence of external magnetic field on the spectral characteristics of magnetophotonic crystals are considered. The second chapter of the review is devoted to the electrodynamics of left-handed media (left-handed metamaterials). Different versions of composite left-handed media are considered. Particular attention is paid to features of electrodynamics of artificially synthesized lefthanded media, the doped lanthanum manganites-perovskites, which in a certain concentrations of doping element and temperature range can serve as an example of natural left-handed media. The Appendix describes the details of experimental techniques radiophysical research. Note that the research and design of the metamaterials listed above in a range of low temperatures are particularly important. This is due to the fact that at low temperatures a main disadvantage of artificial materials mentioned above (quite large losses) becomes less noticeable. At the same time the main their advantage (namely the possibility to control their frequency dispersion) remains. Thus it seems that the most prospective areas of application and further study of the magnetic metamaterials lie at low temperatures

Selected problems of materials science. Vol. 2. Nano-dielectrics metals in electronics. Mеtamaterials. Multiferroics. Nano-magnetics

The textbook examines physical foundations and practical application of current electronics materials. Modern theories are presented, more important experimental data and specifications of basic materials necessary for practical application are given. Contemporary research in the field of microelectronics and nanophysics is taken into account, while special attention is paid to the influence of the internal structure on the physical properties of materials and the prospects for their use. English-language lectures and other classes on the subject of the book are held at Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute at the departments of “Applied Physics” and “Microelectronics” on the subject of materials science, which is necessary for students of higher educational institutions when performing scientific works. For master’s degree applicants in specialty 105 “Applied physics and nanomaterials”.Розглянуто фізичні основи та практичне застосування актуальних матеріалів електроніки. Подано сучасні теорії, наведено найважливіші експериментальні дані та специфікації основних матеріалів, які потрібні для практичного застосування. Враховано сучасні дослідження у галузі мікроелектроніки та нанофізики, при цьому особливу увагу приділено впливу внутрішньої структури на фізичні властивості матеріалів і на перспективи їх використання. Англомовні лекції та інші види занять за тематикою книги проводяться в КПІ ім. Ігоря Сікорського на кафедрах «Прикладна фізика» та «Мікро-електроніка» за напрямом матеріалознавство, що необхідно студентам вищих навчальних закладів при виконанні наукових робіт. Для здобувачів магістратури за спеціальністю 105 «Прикладна фізика та наноматеріали»

GEOMETRY INDUCED MAGNETO-OPTIC EFFECTS IN LPE GROWN MAGNETIC GARNET FILMS

This dissertation addresses dimensionality-induced magneto-optic effects in liquid-phaseepitaxy magnetic garnet thin films. It is found that the Faraday rotation (FR) per unit length evinces a marked and steady enhancement as the film thickness is reduced below ~100 nm in Bi0.8Gd0.2Lu2Fe5O12, although it remains constant in the micron- and most of the submicron- regime. The reported specific FR change in such reduced dimensions is due to sizedependent modifications in diamagnetic transition processes in the garnet film. These processes correspond to the electronic transitions from the singlet 6S ground state to spinorbit split excited states of the Fe3+ ions in the garnet. A measurable reduction in the corresponding ferrimagnetic resonance linewidths is found, thus pointing to an increase in electronic relaxation times and longer lived excitations at reduced thicknesses than in the bulk. These changes together with a shift in vibrational frequency of the Bi-O bonds in the garnet at reduced thicknesses result in magneto-optical enhancement in ultra-thin garnet films. This dissertation also studies optical transmittance control through multimode elliptically birefringent waveguides achieved by one-dimensional magneto-photonic crystals (MPCs) and the tuning of longitudinal magnetic bias in such waveguides, together with the tuning of the helicity of the input elliptical beam. Magnetization reversal is found to strongly reconfigure the stop band spectrum, through hybridization of the ellipticallypolarized states due to normal mode symmetry breaking

Historical review of advanced materials for electromagnetic interference (EMI) shielding: Conjugated polymers, carbon nanotubes, graphene based composites

Electromagnetic (EM) interference (EMI) “an off-shoot of explosive growth of electronics and telecommunications” is becoming an alarming issue for modern society. It may degrade the EM device performance or may adversely affect human health. Recently, polymer based blends and composites have emerged as powerful solution for efficient suppression of EM noises; thanks to the unique combination of electrical, thermal, dielectric, magnetic and/or mechanical properties, possessed by them. This review focuses on the basics of EMI shielding/microwave absorption, various techniques for measurement of shielding effectiveness, theoretical aspects of shielding, governing equations. In addition, different strategies and potential materials for handling of EMI have also been discussed with special reference to polymer based blends and composites especially those based on carbon nanotubes (CNTs), graphene and intrinsically conducting polymers (ICPs)

Controlling Light with Novel Static and Dynamic Magnetophotonic Structures

Η αλληλεπίδραση φωτός με τη μαγνήτιση και δυναμικές διεγέρσεις της (κύματα σπιν) σε μαγνητικά νανοϋλικά θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για σχεδιασμό ολοκληρωμένων οπτοηλεκτρονικών κυκλωμάτων επόμενης γενεάς και καινοτόμων υβριδικών νανοδιατάξεων επεξεργασίας της πληροφορίας. Οι δυνατότητες όμως αυτές περιορίζονται γιατί η μαγνητο-οπτική σύζευξη στην περιοχή του ορατού και του υπερύθρου είναι εγγενώς εξαιρετικά ασθενής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνούμε θεωρητικά τη δυνατότητα ενίσχυσης και ελέγχου της μαγνητο-οπτικής αλληλεπίδρασης με κατάλληλα σχεδιασμένες νανοδομές. Aρχικά μελετούμε στρωματικές δομές ομοιογενών υλικών, που περιλαμβάνουν στατικά μαγνητισμένα υμένια, με τις μεθόδους των πινάκων μεταφοράς και σκέδασης. Δείχνουμε ότι ο εντοπισμός του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στη μαγνητικά ενεργή περιοχή επιφέρει ενίσχυση της μαγνητο-οπτικής αλληλεπίδρασης οδηγώντας σε ενδιαφέροντα φαινόμενα όπως μη αντιστρεπτή διάδοση φωτός και ισχυρά ενισχυμένη στροφή Faraday του επιπέδου πόλωσης. Στη συνέχεια, αφού επεκτείνουμε τη μέθοδο φωτονικής στρωματικής πολλαπλής σκέδασης ώστε να χειρίζεται σύνθετες αρχιτεκτονικές που περιλαμβάνουν υμένια μαγνητισμένα σε τυχαία διεύθυνση, μελετούμε τη στροφή Faraday σε στατικές μαγνητοπλασμονικές δομές διηλεκτρικών μαγνητικών νανοσωματιδίων με μεταλλικό φλοιό καθώς και μεταλλικών νανοκυλίνδρων εναποτεθειμένων σε διηλεκτρικό μαγνητικό υμένιο. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η συνέργεια πλασμονίων και μαγνήτισης μπορεί να ενισχύσει δραστικά τη μαγνητο-οπτική απόκριση. Επίσης, διερευνούμε το φαινόμενο της στροφής Faraday σε μια διπλοθλαστική διάταξη αποτελούμενη από ένα διηλεκτρικό μαγνητικό υμένιο μεταξύ δύο υπέρλεπτων μεταλλικών κατόπτρων, των οποίων οι εξωτερικές επιφάνειες φέρουν παράλληλες και ισαπέχουσες αυλακώσεις. Θεωρώντας τις πραγμετικές οπτικές παραμέτρους των υλικών, δείχνουμε ότι όχι μόνο η στροφή Faraday ενισχύεται δραματικά αλλά και ότι η διελευσιμότητα της δομής είναι σχετικά υψηλή. Στη συνέχεια, επικεντρωνόμαστε σε μια εμπεριστατωμένη μελέτη της αλληλεπίδρασης φωτός με τη μαγνητική δυναμική χρησιμοποιώντας την αδιαβατική προσέγγιση καθώς και μια πλήρως δυναμική μέθοδο Floquet στα πεδία του χώρου και του χρόνου, ακριβή σε οποιαδήποτε τάξη θεωρίας διαταραχών, την οποία αναπτύσσουμε για το σκοπό αυτό. Συγκεκριμένα, προτείνουμε και μελετάμε ένα πολυστρωματικό υλικό που παρουσιάζει ταυτόχρονα διττή, φωτονική και μαγνονική, λειτουργικότητα, εισάγοντας έτσι την έννοια του "οπτομαγνονικού κρυστάλλου'', καθώς επίσης μια επίπεδη νανοκοιλότητα που υποστηρίζει συγχρόνως εντοπισμένες καταστάσεις φωτός και κυμάτων σπιν. Δείχνουμε ότι ο ταυτόχρονος εντοπισμός των δύο πεδίων στην ίδια (μαγνητική) περιοχή για μεγάλο χρονικό διάστημα προκαλεί σημαντική ενίσχυση της αλληλεπίδρασής τους και προσδιορίζουμε τα όρια ισχύος της ημιστατικής αδιαβατικής προσέγγισης. Στο πλαίσιο της συστηματικής μας μελέτης, διερευνούμε οπτομαγνονικές κοιλότητες υπό τη διέγερση διαφόρων τύπων κυμάτων σπιν που επιφέρουν τόσο χρονική όσο και χωρική περιοδική διαμόρφωση. Δείχνουμε ότι, υπό ρεαλιστικές συνθήκες, ικανοποιώντας τους ισχύοντες κανόνες επιλογής, τέτοιες κατάλληλα σχεδιασμένες δομές προσφέρουν εντυπωσιακές δυνατότητες για ισχυρή διαμόρφωση του φωτός με κύματα σπιν μέσω διαδικασιών απορρόφησης/εκπομπής πολλών μαγνονίων από ένα φωτόνιο καθώς και μη ελαστικής σκέδασης σε καθεστώς τριπλού συντονισμού. Ακόμα, εξετάζουμε το φαινόμενο της δυναμικής περίθλασης καθώς και τη δημιουργία χασμάτων τόσο για την ελαστικά όσο και για μη ελαστικά σκεδαζόμενες δέσμες φωτός. Ισχυρή συνέργεια κυμάτων μαγνήτισης και φωτός θα μπορούσε να ανοίξει, μεταξύ άλλων, το δρόμο για καινοτόμες διατάξεις στο πεδίο των κβαντικών υπολογιστών και των τηλεπικοινωνιών, συμπεριλαμβανομένων μαγνητο-οπτικών διατάξεων για επεξεργασία σήματος και για μελέτη μαγνητικών ιδιοτήτων μακροσκοπικών και νανοδομημένων υλικών.The interaction of light with the magnetization and its dynamic excitations (spin waves) in magnetic nanomaterials could be the basis for designing next-generation optoelectronic integrated circuits and novel hybrid, spin-optical, miniaturized devices for information processing applications. However, these possibilities are hindered by the inherently weak magneto-optical coupling in the visible and near-infrared part of the electromagnetic spectrum. In the present thesis, we investigate theoretically ways to enhance, in a controllable manner, the magneto-optical interaction in properly designed nanostructures. At first, we study stratified structures of homogeneous materials, which comprise statically magnetized films, using the transfer- and the scattering-matrix methods. We show that the localization of the electromagnetic field in the active magnetic region induces considerable enhancement of the magneto- optical interaction, leading to intriguing effects such as nonreciprocal light propagation and greatly increased Faraday rotation of the polarization plane. Next, employing the photonic layer-multiple-scattering method, that we properly extend so as to treat complex architectures comprising films magnetized in an arbitrary direction, we study the Faraday rotation in static magnetoplasmonic structures of dielectric magnetic nanoparticles coated with a metallic shell as well as of metallic nanocylinders deposited on a dielectric magnetic film. Our results provide compelling evidence that the synergy of plasmons and magnetization can drastically increase the magneto-optical response. In addition, we investigate the Faraday rotation effect in a birefringent etalon consisting of a dielectric magnetic film sandwiched between two ultrathin metallic mirrors, patterned with equally spaced parallel grooves on the their outer surfaces. Considering the actual optical parameters of the materials, we show that not only the Faraday rotation is dramatically enhanced but also the transmissivity is relatively high. We next undertake a thorough investigation of the interaction of light with dynamic magnetization fields using the adiabatic approximation as well as a fully dynamic spectro-spatial Floquet method, correct to arbitrary order in perturbation theory, that we develop for this purpose. Specifically, we propose and study a multilayer structure, which concurrently exhibits a dual, photonic and magnonic, functionality, thus introducing the concept of the "optomagnonic crystal", as well as a planar nanocavity that supports, simultaneously, localized modes of light and spin waves. We show that the concurrent localization of the two fields in the same (magnetic) region for a long time period causes considerable enhancement of their interaction and we establish the limits of validity of the quasistatic adiabatic approximation. In the framework of our systematic study, we investigate optomagnonic cavities subject to the excitation of different types of spin waves that induce, in general, a spatio-temporal modulation. Our results provide unambiguous evidence that, under realistic conditions, satisfying the valid selection rules, such properly designed structures offer impressive opportunities for achieving strong modulation of optical fields with spin waves through multi-magnon absorption/emission processes as well as inelastic light scattering in the triple-resonance regime. In addition, we examine the phenomenon of dynamic diffraction and the formation of band gaps for the elastically and inelastically scattered light beams. Strong synergy of magnetization waves with light might open, among others, the door to novel devices in the era of quantum computation and telecommunication, including magneto-optical devices for optical signal processing and for probing with high sensitivity magnetic properties of bulk and nanostructured materials