Волноводные эффекты и эмиссия энергии в пространственно упорядоченных и случайных ансамблях наночастиц в режиме аккумуляции или без аккумуляции энергии электромагнитной волны в наночастицах

Развита техника функции Грина и аналога квантово-механического T –оператора рассеяния для изучения распространения плазмонных и спиновых волн в открытых (свободное пространство) и закрытых (волноводы) диэлектрических (металлических) и магнитных наноструктурах. Техника основывается на оригинальном интегральном уравнении Липпманна – Швингера для тензорного T – оператора рассеяния диэлектрической или магнитной частицы с эффективным объемным рассеивающим потенциалом и поверхностным рассеивающим потенциалом и правиле Ватсона композиции T – операторов рассеяния ансамбля частиц. Приведен простой способ решения уравнения Липпманна-Швингера в квази-сепарабельной форме. Показано, что полученное решение удовлетворяет оптической теореме в свободном пространстве. Рассмотрены несколько конкретных эффектов при рассеянии электромагнитной волны на случайном и периодическом ансамбле малых частиц. (1) Показано, что эффективная динамическая магнитная проницаемость случайного ансамбля малых немагнитных сферических частиц с удельной долей более 10% имеет отрицательную величину в диапазоне частот электромагнитного излучения, в котором вещество частиц имеет большую отрицательную величину действительной части диэлектрической проницаемости. С увеличением удельной доли эффективная магнитная проницаемость стремится к нулю со стороны отрицательных или положительных значений для различных частиц. (2) Исследована динамика пространственно-временного перераспределения энергии электромагнитного импульса в случайной среде, состоящей из малых сферических частиц, настроенных по несущей частоте импульса на магнитный дипольный резонанс Ми. В диффузионном режиме, когда источник импульса находится в бесконечной резонансной случайной среде, определены доли энергии, аккумулированной в частицах среды и находящейся в окружающем пространстве. В баллистическом режиме, когда импульс падает на слой случайной среды, энергия падающего короткого импульса перераспределяется как в неограниченной среде при толщине слоя порядка или больше скорости переноса энергии, умноженной на элементарное время захвата энергии в резонансную частицу среды. Затем аккумулированная энергия постепенно выходит из слоя. При падении дельта импульса, в слое среды возникает специфическая волна аккумуляции электромагнитной энергии в частицах. (3) Выведены формулы для расчета токов, наведенных в малых сферических частицах треугольного кластера при электромагнитном возбуждении частицы, расположенной в центре кластера. Показано, что токи, наведенные в частицах треугольного кластера и ток в центральной частице могут быть со- или противо-направлены в зависимости от плотности упаковки частиц при возбуждении центральной частицы резонансным электромагнитным излучением. Осцилляции смены знака токов в частицах при изменении плотности упаковки сглаживаются и исчезают при возбуждении на частотах, меньших резонансной частоты, и, напротив, нарастают при частотах, превышающих резонансную частоту. (4) Проведен асимптотический анализ режимов распространения электромагнитного поля вдоль волновода в виде конечной линейной периодической цепочки однородных изотропных немагнитных субволновых сферических частиц. Показано, что существуют два режима дальнего резонансного распространения возбуждения и режим экспоненциального затухания возбуждения. В первом режиме дальнего распространения возбуждения, коллективное сечение экстинкции цепочки точно равно или меньше сечения экстинкции одиночной частицы. При этом, практически отсутствует рассеянное излучение в дальней волновой зоне цепочки. Во втором режиме, сечение экстинкции цепочки равно сумме сечений экстинкции всех частиц. Дальнее распространение возбуждения по цепочке сопровождается существенным рассеянием излучения. Третий режим характеризуется экспоненциальным затуханием возбуждения в зависимости от числа частиц. В этом случае практически отсутствует распространение возбуждения вдоль цепочки, а значит, отсутствует и аккумуляция электромагнитной энергии. (5) Конус когерентного усиления обратного рассеяния (КУОР) при диффузном отражении электромагнитного импульса от случайной среды, состоящей из малых сферических частиц, уширяющийся за счет динамической аккумуляции энергии импульса в резонансных частицах, заужается при наличии отрицательного поглощения рассеивающими частицами. Уширение или заужение угла конуса КУОР происходит по сравнению со случайной средой, состоящей из нерезонансных частиц.