Surface plasmon polariton amplification in a single-walled carbon nanotube

Abstract

The interaction of a surface plasmon polariton wave of the far-infrared regime propagating in a single-walled carbon nanotube with a drift current is theoretically investigated. It is shown that under the synchronism condition a surface plasmon polariton amplification mechanism is implemented due to the transfer of electromagnetic energy from a drift current wave into a terahertz surface wave propagating along the surface of a single-walled carbon nanotube. Numerical calculations show that for a typical carbon nanotube surface plasmon polariton amplification coefficient reaches huge values of the order of 10 сm, which makes it possible to create a carbon-nanotube-based spaser.

Excitation of Ultraslow High‐q Surface Plasmon Polariton Modes in Dense Arrays of Double‐Walled Carbon Nanotubes

“…These features make such modes unsuitable for applications in slow-wave systems. The most interesting specific features of the DWCNT modes are associated with the presence of interlayer SPP modes enabling a strong confinement of the field between the layers (Figure 2b, inset 3) and thus providing a high deceleration coefficient at a relatively low absorption coefficient (|𝛽 ′′ | ∼ 10 6 m −1 ) The devices based on the interaction between the SPP and drift current [15,[36][37][38][39] exploit the electric field longitudinal component inherent to the interlayer modes. The parameter characterizing domination of the longitudinal field component [15] 𝜂 =…”

“…ranges for interlayer modes from 0.85 to 0.65 within the frequency range of 20-60 THz allowing interaction of the SPP longitudinal field component with both a drift current in the configuration proposed elsewhere [15,36] and an electron beam. [40] The group and phase velocities corresponding to the fundamental interlayer mode (Figure 2b, inset 3) are shown in Figure 3.…”

“…202100438 Recently, it has been shown that CNTs can be considered as a plasmonic waveguide enabling propagation of an ultraslow surface electromagnetic wave (with the effective refractive index > 100) in the THz range. [14,15] Such ultraslow modes cannot be excited in CNT by an external electromagnetic wave using standard optical schemes due to a high effective refractive index of ultraslow waves propagating in CNTs. However, they could be generated and amplified through the injection of electron beams propagating along the parallel CNTs.…”

Генерация Поверхностных Плазмон-Поляритонов В Углеродной Нанотрубке С Токовой Накачкой

“…Эффективность взаимодействия тока и плазмонной волны высока при выполнении условия фазового синхронизма, то есть когда фазовая скорость ППП волны и дрейфовая скорость носителей заряда примерно одинаковы. Основные положения предлагаемой схемы усиления ППП в изолированной УНТ, находящейся в воздухе (вакууме) вдали от границ раздела сред, изложены в нашей работе [2]. В настоящей работе определены условия усиления в более реалистичных условиях -при наличии подстилающей среды.…”

Генерация Поверхностных Плазмон-Поляритонных Волн В Углеродной Нанотрубке

“…Основные положения предлагаемого подхода изложены в наших работах [1,2], посвященных проблеме усиления ППП в полупроводниковой пленке с грефеновым слоем. В настоящей работе данный подход применен к отдельному наноразмерному объекту цилиндрической симметрии -углеродной нанотрубке (УНТ) [3]. Обратная положительная связь в УНТ реализуется за счет рассеяния усиленной ППП волны на периодическом потенциале, созданным профилированной поверхностью подложки.…”