INTERACTION OF EIGENMODES IN A SPHERICAL PARTICLE WITH NEGATIVE VALUES OF ITS MATERIAL PARAMETERS

INTERACTION OF EIGENMODES IN A SPHERICAL PARTICLE WITH NEGATIVE VALUES OF ITS MATERIAL PARAMETERS

PACS number: 41.20.-qPurpose: The behavior of spectral characteristics (eigenfrequencies, natural oscillations, Q-factors) of a spherical particle whose permittivity and permeability simultaneously take on negative values (a “left-handed” sphere) is considered. It is known that in the vicinity of so...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2019
Main Author: Svishchov, Yu. V.
Format: Article
Language:Russian
Published: Видавничий дім «Академперіодика» 2019
Subjects:
metamaterial
spherical particle
eigenfrequency
interaction of eigenmodes
Online Access:http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1318
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Radio physics and radio astronomy

Institution

Radio physics and radio astronomy
id rpra-journalorgua-article-1318
record_format ojs
institution Radio physics and radio astronomy
baseUrl_str
datestamp_date 2020-06-09T10:27:16Z
collection OJS
language Russian
topic metamaterial
spherical particle
eigenfrequency
interaction of eigenmodes
spellingShingle metamaterial
spherical particle
eigenfrequency
interaction of eigenmodes
Svishchov, Yu. V.
INTERACTION OF EIGENMODES IN A SPHERICAL PARTICLE WITH NEGATIVE VALUES OF ITS MATERIAL PARAMETERS
topic_facet metamaterial
spherical particle
eigenfrequency
interaction of eigenmodes
метаматериал
сферическая частица
собственная частота
взаимодействие собственных колебаний
метаматеріал
сферична частинка
власна частота
взаємодія власних коливань
format Article
author Svishchov, Yu. V.
author_facet Svishchov, Yu. V.
author_sort Svishchov, Yu. V.
title INTERACTION OF EIGENMODES IN A SPHERICAL PARTICLE WITH NEGATIVE VALUES OF ITS MATERIAL PARAMETERS
title_short INTERACTION OF EIGENMODES IN A SPHERICAL PARTICLE WITH NEGATIVE VALUES OF ITS MATERIAL PARAMETERS
title_full INTERACTION OF EIGENMODES IN A SPHERICAL PARTICLE WITH NEGATIVE VALUES OF ITS MATERIAL PARAMETERS
title_fullStr INTERACTION OF EIGENMODES IN A SPHERICAL PARTICLE WITH NEGATIVE VALUES OF ITS MATERIAL PARAMETERS
title_full_unstemmed INTERACTION OF EIGENMODES IN A SPHERICAL PARTICLE WITH NEGATIVE VALUES OF ITS MATERIAL PARAMETERS
title_sort interaction of eigenmodes in a spherical particle with negative values of its material parameters
title_alt ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СОБСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ В СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЕ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ВЗАЄМОДІЯ ВЛАСНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ У СФЕРИЧНІЙ ЧАСТИНЦІ З НЕГАТИВНИМИ ЗНАЧЕННЯМИ МАТЕРІАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ
description PACS number: 41.20.-qPurpose: The behavior of spectral characteristics (eigenfrequencies, natural oscillations, Q-factors) of a spherical particle whose permittivity and permeability simultaneously take on negative values (a “left-handed” sphere) is considered. It is known that in the vicinity of some values of the material parameters a transformation of natural oscillations in such a particle is observed. The purpose of this work is to study the patterns of the behavior of spectral characteristics of a particle under the conditions of transformation of natural oscillations.Design/Methodology/Approach: To achieve this goal, the solution of the corresponding spectral problem is given. The solution method is based on the electromagnetic field representation in the form of expansion in vector spherical wave functions.Findings: The dependences of the eigenfrequencies of a spherical particle on the permittivity and permeability, which can simultaneously take on negative values, are calculated. A method for classification of natural oscillations is proposed. It is based on the structure of natural oscillations. It is shown that the anomalous behavior of the spectral characteristics of a spherical particle corresponds to the previously known and well-described phenomenon of inter-type coupling of oscillations in the scientific literature. For the control parameter of this phenomenon, both the relative permittivity and the relative permeability of the particle can be used. It is established that the natural oscillations of a spherical particle being distributed in the vicinity of the particle surface or outside it interact. As a result, when changing the material parameters of a particle, either hybridization or exchange of oscillation types is observed.Conclusions: The results of the research allowed us to establish new laws of the anomalous behavior of the spectral characteristics of a spherical particle with simultaneously negative values of its permittivity and permeability. Key words: metamaterial, spherical particle, eigenfrequency, interactionof eigenmodes  Manuscript submitted 30.05.2019Radio phys. radio astron. 2019, 24(3): 206-217 REFERENCES1. KLIMOV, V. V., 2002. Spontaneous emission of an excited atom placed near a “left-handed” sphere. Optics Communications. vol. 211, is. 1-6, pp. 183–196. DOI: https://doi.org/10.1016/S0030-4018(02)01802-32. MELEZHIK, P. N., POEDINCHUK, A. E., TUCHKIN, YU. A. and SHESTOPALOV, V. P., 1988. On the Analytical Nature of the Phenomenon of Intertype Relationship of Natural Oscillations. Dok. Akad. Nauk SSSR.vol. 300, no. 6, pp. 1356–1359. (in Russian).3. MIE, G., 1908. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Annalen der Physik. vol. 330, is. 3, pp. 377–445. DOI: https://doi.org/10.1002/andp.190833003024. DEBYE, P., 1909. Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material. Annalen der Physik. vol. 335, Is. 11, pp. 57–136. DOI: https://doi.org/10.1002/andp.190933511035. GASTINE, M., COURTOIS, L. and DORMAN, J. L., 1967. Electromagnetic resonances of free dielectric spheres. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. vol. 15, is. 12, pp. 694–700. DOI: https://doi.org/10.1109/TMTT.1967.11265686. WOLFF, I., 2018. Electromagnetic Fields in Spherical Microwave Resonators H-Modes and E-Modes in Lossless Open Dielectric Spheres, Version 05.2018. [online preprint]. Research Gate, May 2018. [viewed 5 June 2019]. Available from: https://www.researchgate.net/publication/325335243 DOI: https://doi.org/10.23919/PIERS.2018.85976467. MÜLLER, C., 1969. Foundations of the Mathematical Theory of Electromagnetic Waves. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-11773-68. STRATTON, J., 1941. Electromagnetic Theory. New York, London: McGraw-Hill Book Company, Inc.9. MORSE, P. M. and FESHBACH, H., 1960. Methods of Theoretical Physics. Vol. 2. Moscow, Russia: Inostrannaya Literatura Publ. (in Russian).10. KORN, G. A. and KORN, T. M., 2000. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. 2th ed. New York: Dover Publ.   
publisher Видавничий дім «Академперіодика»
publishDate 2019
url http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1318
work_keys_str_mv AT svishchovyuv interactionofeigenmodesinasphericalparticlewithnegativevaluesofitsmaterialparameters
AT svishchovyuv vzaimodejstviesobstvennyhélektromagnitnyhkolebanijvsferičeskojčasticesotricatelʹnymiznačeniâmimaterialʹnyhparametrov
AT svishchovyuv vzaêmodíâvlasnihelektromagnítnihkolivanʹusferičníjčastincíznegativnimiznačennâmimateríalʹnihparametrív
first_indexed 2025-12-02T15:31:17Z
last_indexed 2025-12-02T15:31:17Z
_version_ 1850763778917924864
spelling rpra-journalorgua-article-13182020-06-09T10:27:16Z INTERACTION OF EIGENMODES IN A SPHERICAL PARTICLE WITH NEGATIVE VALUES OF ITS MATERIAL PARAMETERS ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ СОБСТВЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ В СФЕРИЧЕСКОЙ ЧАСТИЦЕ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ МАТЕРИАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВЗАЄМОДІЯ ВЛАСНИХ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ КОЛИВАНЬ У СФЕРИЧНІЙ ЧАСТИНЦІ З НЕГАТИВНИМИ ЗНАЧЕННЯМИ МАТЕРІАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ Svishchov, Yu. V. metamaterial; spherical particle; eigenfrequency; interaction of eigenmodes метаматериал; сферическая частица; собственная частота; взаимодействие собственных колебаний метаматеріал; сферична частинка; власна частота; взаємодія власних коливань PACS number: 41.20.-qPurpose: The behavior of spectral characteristics (eigenfrequencies, natural oscillations, Q-factors) of a spherical particle whose permittivity and permeability simultaneously take on negative values (a “left-handed” sphere) is considered. It is known that in the vicinity of some values of the material parameters a transformation of natural oscillations in such a particle is observed. The purpose of this work is to study the patterns of the behavior of spectral characteristics of a particle under the conditions of transformation of natural oscillations.Design/Methodology/Approach: To achieve this goal, the solution of the corresponding spectral problem is given. The solution method is based on the electromagnetic field representation in the form of expansion in vector spherical wave functions.Findings: The dependences of the eigenfrequencies of a spherical particle on the permittivity and permeability, which can simultaneously take on negative values, are calculated. A method for classification of natural oscillations is proposed. It is based on the structure of natural oscillations. It is shown that the anomalous behavior of the spectral characteristics of a spherical particle corresponds to the previously known and well-described phenomenon of inter-type coupling of oscillations in the scientific literature. For the control parameter of this phenomenon, both the relative permittivity and the relative permeability of the particle can be used. It is established that the natural oscillations of a spherical particle being distributed in the vicinity of the particle surface or outside it interact. As a result, when changing the material parameters of a particle, either hybridization or exchange of oscillation types is observed.Conclusions: The results of the research allowed us to establish new laws of the anomalous behavior of the spectral characteristics of a spherical particle with simultaneously negative values of its permittivity and permeability. Key words: metamaterial, spherical particle, eigenfrequency, interactionof eigenmodes  Manuscript submitted 30.05.2019Radio phys. radio astron. 2019, 24(3): 206-217 REFERENCES1. KLIMOV, V. V., 2002. Spontaneous emission of an excited atom placed near a “left-handed” sphere. Optics Communications. vol. 211, is. 1-6, pp. 183–196. DOI: https://doi.org/10.1016/S0030-4018(02)01802-32. MELEZHIK, P. N., POEDINCHUK, A. E., TUCHKIN, YU. A. and SHESTOPALOV, V. P., 1988. On the Analytical Nature of the Phenomenon of Intertype Relationship of Natural Oscillations. Dok. Akad. Nauk SSSR.vol. 300, no. 6, pp. 1356–1359. (in Russian).3. MIE, G., 1908. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Annalen der Physik. vol. 330, is. 3, pp. 377–445. DOI: https://doi.org/10.1002/andp.190833003024. DEBYE, P., 1909. Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material. Annalen der Physik. vol. 335, Is. 11, pp. 57–136. DOI: https://doi.org/10.1002/andp.190933511035. GASTINE, M., COURTOIS, L. and DORMAN, J. L., 1967. Electromagnetic resonances of free dielectric spheres. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. vol. 15, is. 12, pp. 694–700. DOI: https://doi.org/10.1109/TMTT.1967.11265686. WOLFF, I., 2018. Electromagnetic Fields in Spherical Microwave Resonators H-Modes and E-Modes in Lossless Open Dielectric Spheres, Version 05.2018. [online preprint]. Research Gate, May 2018. [viewed 5 June 2019]. Available from: https://www.researchgate.net/publication/325335243 DOI: https://doi.org/10.23919/PIERS.2018.85976467. MÜLLER, C., 1969. Foundations of the Mathematical Theory of Electromagnetic Waves. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-11773-68. STRATTON, J., 1941. Electromagnetic Theory. New York, London: McGraw-Hill Book Company, Inc.9. MORSE, P. M. and FESHBACH, H., 1960. Methods of Theoretical Physics. Vol. 2. Moscow, Russia: Inostrannaya Literatura Publ. (in Russian).10. KORN, G. A. and KORN, T. M., 2000. Mathematical Handbook for Scientists and Engineers. 2th ed. New York: Dover Publ.    УДК 537.86:519.6PACS number: 41.20.-qПредмет и цель работы: Рассматривается поведение спектральных характеристик (собственных частот, собственных колебаний, добротностей собственных колебаний) сферической частицы, диэлектрическая и магнитная проницаемости которой одновременно принимают отрицательные значения (a “left-handed” sphere). Известно, что в окрестности некоторых значений материальных параметров наблюдается трансформация собственных колебаний в такой частице. Целью настоящей работы является изучение закономерностей поведения спектральных характеристик частицы в условиях трансформации собственных колебаний.Методы и методология: Для достижения поставленной цели приведено решение соответствующей спектральной задачи. Метод решения основан на представлении электромагнитного поля в виде разложения по векторным сферическим волновым функциям.Результаты: Проведен расчет зависимостей собственных частот сферической частицы от относительной диэлектрической и относительной магнитной проницаемостей, которые могут одновременно принимать отрицательные значения. Предложен способ классификации собственных колебаний. Он основан на структуре собственных колебаний. Показано, что при некоторых значениях материальных параметров поведение спектральных характеристик сферической частицы соответствует ранее известному и хорошо описанному в научной литературе явлению междутиповой связи колебаний. В качестве управляющего параметра этого явления может использоваться как относительная диэлектрическая проницаемость, так и относительная магнитная проницаемость частицы. Установлено, что взаимодействуют собственные колебания сферической частицы, которые распределены в окрестности поверхности частицы или вне ее. Как следствие, при изменении материальных параметров частицы наблюдается либо гибридизация, либо обмен типами колебаний.Заключение: Результаты проведенных исследований позволили установить новые закономерности поведения спектральных характеристик сферической частицы с одновременно отрицательными значениями ее диэлектрической и магнитной проницаемостей.Ключевые слова: метаматериал, сферическая частица, собственная частота, взаимодействие собственных колебанийСтатья поступила в редакцию 30.05.2019Radio phys. radio astron. 2019, 24(3): 206-217 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Klimov V. V. Spontaneous emission of an excited atom placed near a “left-handed” sphere. Optics Communications. 2002. Vol. 211, Iss. 1-6. P. 183–196. DOI: 10.1016/S0030-4018(02)01802-32. Мележик П. Н., Поединчук А. Е., Тучкин Ю. А., Шестопалов В. П. Об аналитической природе явления междутиповой связи собственных колебаний. Доклады АН CCCP. 1988. Т. 300, № 6. С. 1356–1359.3. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Annalen der Physik. 1908. Vol. 330, Is. 3. P. 377–445. DOI: 10.1002/andp.190833003024. Debye P. Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material. Annalen der Physik. 1909. Vol. 335, Is. 11, pp. 57–136. DOI: 10.1002/andp.190933511035. Gastine M., Courtois L., and Dorman J. L. Electromagnetic resonances of free dielectric spheres. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1967. Vol. 15, Is. 12. P. 694–700. DOI: 10.1109/TMTT.1967.11265686. Wolff I. Electromagnetic Fields in Spherical Microwave Resonators H-Modes and E-Modes in Lossless Open Dielectric Spheres. Version 05.2018. Research Gate. 2018. URL: https://www.researchgate.net/publication/325335243 (дата обращения: 05.06.2019).7. Müller C. Foundations of the Mathematical Theory of Electromagnetic Waves. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1969. 356 p. DOI: 10.1007/978-3-662-11773-68. Stratton J. Electromagnetic Theory. New York, London: McGraw-Hill Book Company, Inc., 1941. 615 p.9. Морс Ф. М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. Том 2. Москва: Иностранная литература, 1960. 896 с.10. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Москва: Наука, 1973. 832 c.  УДК 537.86:519.6PACS number: 41.20.-qПредмет і мета роботи: Розглядається поведінка спектральних характеристик (власних частот, власних коливань, добротностей власних коливань) сферичної частинки, діелектрична і магнітна проникності якої одночасно набувають негативних значень (а “left-handed” sphere). Відомо, що в околиці деяких значень матеріальних параметрів спостерігається трансформація власних коливань у такій частинці. Метою цієї роботи є вивчення закономірностей поведінки спектральних характеристик частинки в умовах трансформації власних коливаньМетоди і методологія: Для досягнення поставленої мети наведено розв’язок відповідної спектральної задачі. Метод розв’язку грунтується на представленні електромагнітного поля у вигляді розкладання за векторними сферичними хвильовими функціями.Результати: Виконано розрахунок залежностей власних частот сферичної частинки щодо відносної діелектричної і відносної магнітної проникностей, які одночасно можуть набувати негативних значень. Запропоновано спосіб класифікації власних коливань. Він грунтується на структурі власних коливань. Показано, що за деяких значень матеріальних параметрів поведінка спектральних характеристик сферичної частинки відповідає раніше відомому і добре описаному в науковій літературі явищу міжтипового зв’язку коливань. Як управляючий параметр цього явища може використовуватися як відносна діелектрична проникність, так і відносна магнітна проникність частинки. Встановлено, що взаємодіють власні коливання сферичної частинки, що розподілені в околиці поверхні частинки або поза нею. Як наслідок, зі зміною матеріальних параметрів частинки спостерігається або гібридизація, або обмін типами коливань.Висновок: Результати виконаних досліджень дозволили встановити нові закономірності аномальної поведінки спектральних характеристик сферичної частинки з одночасно негативними значеннями її діелектричної і магнітної проникностей.Ключові слова: метаматеріал, сферична частинка, власна частота, взаємодія власних коливаньСтаття надійшла до редакції 30.05.2019Radio phys. radio astron. 2019, 24(3): 206-217 СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ1. Klimov V. V. Spontaneous emission of an excited atom placed near a “left-handed” sphere. Optics Communications. 2002. Vol. 211, Iss. 1-6. P. 183–196. DOI: 10.1016/S0030-4018(02)01802-32. Мележик П. Н., Поединчук А. Е., Тучкин Ю. А., Шестопалов В. П. Об аналитической природе явления междутиповой связи собственных колебаний. Доклады АН CCCP. 1988. Т. 300, № 6. С. 1356–1359.3. Mie G. Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen. Annalen der Physik. 1908. Vol. 330, Is. 3. P. 377–445. DOI: 10.1002/andp.190833003024. Debye P. Der Lichtdruck auf Kugeln von beliebigem Material. Annalen der Physik. 1909. Vol. 335, Is. 11, pp. 57–136. DOI: 10.1002/andp.190933511035. Gastine M., Courtois L., and Dorman J. L. Electromagnetic resonances of free dielectric spheres. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1967. Vol. 15, Is. 12. P. 694–700. DOI: 10.1109/TMTT.1967.11265686. Wolff I. Electromagnetic Fields in Spherical Microwave Resonators H-Modes and E-Modes in Lossless Open Dielectric Spheres. Version 05.2018. Research Gate. 2018. URL: https://www.researchgate.net/publication/325335243 (дата обращения: 05.06.2019).7. Müller C. Foundations of the Mathematical Theory of Electromagnetic Waves. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1969. 356 p. DOI: 10.1007/978-3-662-11773-68. Stratton J. Electromagnetic Theory. New York, London: McGraw-Hill Book Company, Inc., 1941. 615 p.9. Морс Ф. М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. Том 2. Москва: Иностранная литература, 1960. 896 с.10. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Москва: Наука, 1973. 832 c.  Видавничий дім «Академперіодика» 2019-09-12 Article Article application/pdf http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1318 10.15407/rpra24.03.206 РАДИОФИЗИКА И РАДИОАСТРОНОМИЯ; Vol 24, No 3 (2019); 206 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY; Vol 24, No 3 (2019); 206 РАДІОФІЗИКА І РАДІОАСТРОНОМІЯ; Vol 24, No 3 (2019); 206 2415-7007 1027-9636 10.15407/rpra24.03 ru http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1318/pdf Copyright (c) 2019 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY

Similar Items