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

Study of spectral and polarization characteristics of layered chiral media

In this paper we study the spectral and polarization characteristics of layered chiral media using the propagation matrix method. The coefficients of the propagation matrix of the periodically layered chiral medium are obtained. The transmission and reflection coefficients of linearly polarized electromagnetic waves for the structure consisting of planar chiral layers were calculated. The boundaries of the forbidden bands for a periodic medium, which unit cell consists of two different chiral layers were determined. It is shown that the boundaries of the forbidden bands do not depend on the chirality parameter of the layers of the structure. It was found that for certain values of the layers thicknesses, the forbidden bands width tends to zero. It is found that the proposed calculating method for the reflection and transmission coefficients can be used to determine the effective constitutive parameters of artificial chiral metamaterials.Нами досліджено спектральні й поляризаційні характеристики шаруватих кіральних середовищ з використанням методу матриць поширення. Отримано коефіцієнти матриці поширення для шарувато-періодичного кірального середовища. Обчислено коефіцієнти проходження та відбиття лінійно поляризованих електромагнітних хвиль для структури, що складається з плоских кіральних шарів. Визначено межі заборонених зон для періодичного середовища, елементарна комірка якої складається з двох різних кіральних шарів. Показано, що межі заборонених зон не залежать від параметра кіральності шарів, що входять в структуру. Знайдено, що при певних значеннях товщин шарів ширина заборонених зон стає рівною 0. Відзначено, що запропоновану методику розрахунку коефіцієнтів відбиття і проходження можна використовувати для визначення ефективних матеріальних параметрів штучних кіральних метаматеріалів.Нами исследованы спектральные и поляризационные характеристики слоистых киральных сред с использованием метода матриц распространения. Получены коэффициенты матрицы распространения для слоисто-периодической киральной среды. Вычислены коэффициенты прохождения и отражения линейно поляризованных электромагнитных волн для структуры, состоящей из плоских киральных слоев. Определены границы запрещенных зон для периодической среды, элементарная ячейка которой состоит из двух различных киральных слоев. Показано, что границы запрещенных зон не зависят от параметра киральности слоев, входящих в структуру. Найдено, что при определенных значениях толщин слоев ширина запрещенных зон становится равной 0. Отмечено, что предложенную методику расчета коэффициентов отражения и прохождения можно использовать для определения эффективных материальных параметров искусственных киральных метаматериалов

Identification of liquids in different containers using a microwave planar metamaterial

At present, the fast contactless identification of liquids enclosed into a container has a practical importance. The identification of liquids can be required, for example, at airports, in order to prevent the transport of illicit liquids in bottles. However, the complexity of applying contactless methods lies in the difficulties to take into account the influence of container characteristics. In this paper, a metamaterial based on two planar photonic crystals (PPC) has been applied for the experimental analysis of liquids in different containers. It was shown experimentally how the transmission coefficient spectrum of PPC varied with changing the characteristics of a container with a liquid. Namely, the influence of thickness and material of the container walls and the inclination angle of its axis relative to the metamaterial plane on the transmission coefficient has been studied. The reliable differing of concentration increments of edible salt and sugar in water was determined as 10 %. It is shown that an increase of the container walls thickness leads to a decrease of the reliability of the liquid identification in it. Thus, the influence of some container characteristics on the reliability of contactless identification of liquids by using PPC has been taken into account.Быстрая бесконтактная идентификации жидкостей, находящихся в сосуде, представляет большой практический интерес. Данный способ идентификации может применяться, например, в аэропортах, с целью предотвращения провоза в багаже запрещенных жидкостей. Однако применение бесконтактных методов осложняется необходимостью учета влияния характеристик сосуда. В настоящей работе метаматериал на основе двух планарных фотонных кристаллов (ПФК) был применен для экспериментального анализа жидкостей, находящихся в различных сосудах. Экспериментально показано, каким образом изменялся спектр коэффициента пропускания ПФК с изменением характеристик сосуда с жидкостью. Исследовано влияние толщины и материала стенок сосуда, угла наклона его оси относительно плоскости метаматериала на его коэффициент прохождения. Приращение концентрации пищевой соли и сахара в воде при надежном различении растворов было определено как 10 %. Показано, что увеличение толщины стенки сосуда приводит к снижению надежности идентификации жидкости в нем. Таким образом, было учтено влияние некоторых характеристик сосуда на надежность бесконтактной идентификации жидкостей с использованием ПФК.Швидка безконтактна ідентифікація рідин, що знаходяться в посудинах, становить великий практичний інтерес. Такий спосіб ідентифікації може застосовуватися, наприклад, в аеропортах, з метою запобігання провезення у багажі заборонених рідин. Однак застосування безконтактних методів ускладнюється необхідністю урахування впливу характеристик посудини. У цій роботі метаматеріал на основі двох планарних фотонних кристалів (ПФК) був застосований для експериментального аналізу рідин, що знаходяться в різних посудинах. Експериментально показано, яким чином змінювався спектр коефіцієнту пропускання ПФК зі зміною характеристик посудини з рідиною. Досліджено вплив товщини і матеріалу стінок посудини, кута нахилу її осі відносно площини метаматеріалу на його коефіцієнт проходження. Приріст концентрації харчової солі і цукру у воді за умов надійного розрізнення розчинів було визначено як 10 %. Показано, що збільшення товщини стінки посудини призводить до зниження надійності ідентифікації рідини в ній. Таким чином, було враховано вплив деяких характеристик посудини на надійність безконтактної ідентифікації рідин з використанням ПФК

Electromagnetic wave diffraction by periodic planar metamaterials with nonlinear constituents

We present a theory which explains how to achieve an enhancement of nonlinear effects in a thin layer of nonlinear medium by involving a planar periodic structure specially designed to bear a trapped-mode resonant regime. In particular, the possibility of a nonlinear thin metamaterial to produce the bistable response at a relatively low input intensity due to a large quality factor of the trapped-mode resonance is shown. Also a simple design of an all-dielectric low-loss silicon-based planar metamaterial which can provide an extremely sharp resonant reflection and transmission is proposed. The designed metamaterial is envisioned for aggregating with a pumped active medium to achieve an enhancement of quantum dots luminescence and to produce an all-dielectric analog of a 'lasing spaser'.Comment: 18 pages, 13 figure

Quasi-equilibrium models of magnetized compact objects

We report work towards a relativistic formulation for modeling strongly magnetized neutron stars, rotating or in a close circular orbit around another neutron star or black hole, under the approximations of helical symmetry and ideal MHD. The quasi-stationary evolution is governed by the first law of thermodynamics for helically symmetric systems, which is generalized to include magnetic fields. The formulation involves an iterative scheme for solving the Einstein-Maxwell and relativistic MHD-Euler equations numerically. The resulting configurations for binary systems could be used as self-consistent initial data for studying their inspiral and merger.Comment: Talk given at the 14th Conference on Recent Developments in Gravity (NEB XIV), Ioannina, Greece, 8-11 Jun 201