Plasma metamaterials, composites of low-temperature plasmas and periodic functional microstructures, work as cloaking and nonlinear media. Due to functions of the microstructures like negative permeability, electromagnetic waves in and around plasma metamaterials propagate in a quite different manner from the case with the conventional space in which relative permeability is positive and unity. Using plasmas and plasma metamaterials, we achieve various controls of microwave propagating paths such as unidirectionality and cloaking in the two- or 3D spaces. For instance, a concentric plasma layer makes wave propagation unidirectional, and waves propagate in different routes when they start inside or outside the concentric layer. Furthermore, due to spatial permittivity gradient and anisotropic refractive index, electromagnetic waves detour in plasma metamaterial layers. Another significant point that plasma metamaterials can realize is nonlinearity. When we study high-power electromagnetic waves propagating in them, we observe several properties describable in terms of nonlinear dynamics and nonlinear photonics. Microwaves beyond threshold energy trigger bifurcations in plasma permittivity, and the second harmonic wave detected simultaneously is generated with strong emission levels. Such electromagnetic wave propagation is achieved with advantages over other materials, since plasmas and metallic microstructures work in harmony and in synergy.
プラズマメタマテリアルは、低温プラズマと周期的機能性微細構造の複合体であり、クラーキング媒体および非線形媒体として機能する。微細構造の負の透磁率などの機能により、プラズマメタマテリアル内部および周囲における電磁波の伝播は、比透磁率が正で1である従来の空間の場合とは大きく異なる様相を示す。プラズマおよびプラズマメタマテリアルを用いることで、二次元または三次元空間における一方向性やクラーキングなどのマイクロ波伝播経路の多様な制御が達成される。例えば、同心円状のプラズマ層は波動伝播を一方向性にし、波動は同心円状層の内部または外部を起点とする場合で異なる経路を伝播する。さらに、空間的誘電率勾配および異方性屈折率により、電磁波はプラズマメタマテリアル層内で迂回経路をとる。プラズマメタマテリアルが実現し得るもう一つの重要な点は非線形性である。高パワー電磁波がこれらの媒質中を伝播する際、非線形ダイナミクスおよび非線形フォトニクスの観点から記述可能ないくつかの特性が観測される。閾値エネルギーを超えるマイクロ波はプラズマ誘電率に分岐を誘発し、同時に検出される第二高調波は強い発光レベルで生成される。このような電磁波伝播は、プラズマと金属微細構造が調和的かつ相乗的に機能するため、他の材料に対する利点を伴って達成される。