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ON THE PROPAGATION OF s-POLARIZED SURFACE POLARITONS ON ROUGH SURFACES

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ON THE PROPAGATION OF s-POLARIZED SURFACE POLARITONS ON ROUGH SURFACES

W. Zierau, A. Maradudin, C. Falter

To cite this version:

W. Zierau, A. Maradudin, C. Falter. ON THE PROPAGATION OF s-POLARIZED SURFACE

POLARITONS ON ROUGH SURFACES. Journal de Physique Colloques, 1984, 45 (C5), pp.C5-225-

C5-228. �10.1051/jphyscol:1984532�. �jpa-00224150�

(2)

JOURNAL DE PHYSIQUE

Colloque C5, supplkment au n04, Tome 45, avril 1984 page C5-225

ON THE PROPAGATION OF s-POLARIZED SURFACE POLARITONS ON ROUGH SURFACES

W. Z i e r a u , A . A . ~ a r a d u d i n * and C . F a l t e r University of bfuenster, F.H. C.

* ~ n i v e r s i ty of CaZifornia, I r v i n e , U.S.A

.

Resum6 - 18a p o s s i b i l i t 6 d'une r e l a t i o n de d i s p e r s i o n pour, un p o l a r i t o n de s u r f a c e de p o l a r i s a t i o n s e s t 6 t u d i 6 e pour une s u r f a c e rugueuse. Afin de pou- v o i r L r a i t e r des r u g o s i t 6 s de s u r f a c e i m p o r t a n t e s , une modsle de rgseaux sinusoidaux a 6 t 6 c h o i s i pour l e s r u g o s i t g s . L'usage de l ' h y p o t h s s e de Rayleigh permct d ' o b t e n i r une e x p r e s s i o n s i c ~ i l a i r e au c a s de l a p o l a r i s a t i o n p . C e l l e - c i a 6 t 6 ktudi6e numgriquement dans le domaine n o n - r a d i a t i f , pour A 1 exemple type d'un rn6tal 2 6 l e c t r o n s presque l i b r e s , a i n s i que pour NaCl exemple type d'un c r i s t a l diatomique. Au vu de c e s r g s u l t a t s , nous devons c o n c l u r e que d e s p o l a r i t o n s de s u r f a c e de p o l a r i s a t i o n s ne pcuvenr pas s e propager, dans l e s l i m i t e s c o n s i d k r g e s , l e long d'un rEseau s i n u s o i d a l de r u g o s i t t s 2 l a s u r f a c e .

Abstra::t. - T h e p o s s i b i 1 i : y o f a r l i s p e l r s i o n r e l a t i o r 1 f o r a n s - p o - l a r i . z e d s u r . f a c c p o l a v i t c n a t a r o u g h s u r f a - c h a s b e e r , i n v e s t i - g a t e d . In o r d e r i,o b e a b l e t o t r e a t a l s o l a r g e v a l u e s o f Che : ; u r f a c e r o ~ g h r ~ c s s a s l n u s o i d a l g r a t i n g h a s b e e n c n o o s e r l a s a mode!. f'or t h e r o u g h s . l ? f ' a c c . [ ! s i n g Hay1 e i g h t s h y p o t h e s i s ari e x - a r e s s - i . o r i s i m i l a r t o t?!e p - p o l . a r i z e d c a s e i s d e r . i . v e d w h i c h h a s b e e n s t l i d i e d r l ~ m e r i c a l l y i n t h e n o r ) - r a d i a t i v e a r e a f'cr. 2 r l e a r l y Y r e e - e l e c t r o r ~ m e t a l , A l , a n d a d i a t o m i c c r y s t a l , PJaC1, r e p r e s e n - t a t i v e l y . Prom o u r S i n t l i r . g s wc n u s t c o r l c l urie \ h a t s - p o l e r i z e : i s u r f a c e p o ! a r i t o n s c a n n o t p r o c a g n t e a l o n g s r o u g h s u r f a c c r e p r e - s e n t e d b y E. s i . r l u s o i d a 1 f:r2atirlg w i t h i n t h e l i m i t s c o n s i d e r e d .

T h e p r o p a g a t i o n oi' s u ? f a c e p o l a r 2 i t o n s o n r o u g h s u r f a c e s h a s b e e p e x t e n - s i v e l y s t u d i e d d u r i n g t h e l a s t y e a r s (for a r e v j e w s e e / I 1'1. I t i s knowr. t h a t o n a f l a t s u r f a c e o n l y p - p c l a r i z e d s ~ i r f a c c p o l a r i t o n s c a n p r o p a g a t e . A p-polarized s u r r a c e p o l a r i t o r ; i s or!c whose e 1 e c t r . i c v e c - t o r i s i n t h e p l a n e d c f ' i n e d by t h e ciirec:i,ion o f p r o p z g a t i o r ~ ar!d t h e n o r m a l t,o t.he s u r l ' a c c , wiler,eas a n s - p c l a r i . z e d s u r f a c e p o : a r i t o n i s o n e w h o s e e l e c t r i c v e c t o r . i s p e v p c n d i . c u l a r t o t h i s pl.c?ne. I t fellows imme- d i a t e l y f r o m M a x w e l l ' s e q u a t i o n s t h a t s - p o l a r i z e d s u r f a c e p o l a r i t o n s c a n n o t p r o p a g a t e a l o r ? g a p l a r i a r s u r S a : : e .

I n c a s e o f a r o u g h s u r f a c e :he s o l i l t i o n o f ' t h e wave e q u a t i o n b e - c o m e s m o r e c o m p l e x s o t h a t a5 f i r s t s i g h t t h e p r o p a g a t i o n o f a n s - p o l a - r i z e t l s u r f a c e p o l . a r i t o r ~ n a y , ir. p r i n c i p l e , become p o s s i b l e . I t i s o u r a i m t o p r e s e n t i n t h i s p a p e r t h e r e s u l t s o r o u r i n v e s t i g a t i o r i o n t h e p o s s i b l e e x i s t e n c e o f s u c h s - p o l a r i z e d p o l a r i t o n s i n t h e r 1 3 n r B a d i a t i v e a r e a . We d i d r o t s t u d y i n f u r t h e r d e t a i l t h e c a s e o f a s o - c a l l c d l c a k y s u r f a c e p o l a n i t o n a s i t h a s b e e n d o n e e . g . f ' o r R a y l e i g h w a v e s i n /2/.

W i t h i n t h e s m a l l r o ~ ~ g h r , e s s I . l m i t f c r a s t a t i s t i c a l l y r>ol;gh s u r f ' a c e a n e x p r e s s i o n h a s a l r e a d y beer1 d e r i . v e d by i v l a r a d u d i : ~ /1/ w h o s e s o i u t i o n w o u l d p r e s e n t a d i s p e r s i o n r e l a t i o n f c r a n s - p o l a r i z e d s u r f a c e p o l a r i - L o n . T h i s s o l u t i o n h a s b e e n c a r r i e d o u t n u m e r i c a l l y . Xotvevcr, i t w a s n o t p o s s i b l e t o o b t a i n c o ~ v c r g e n t r e s : l l t s i n c a s e o f s m a l l r o u g h n e s s e s . To a l l o w > ~ l s c f o r t h e c a s e o f l a r g e r c u g h n e s s we t h e r e f o r e c h o s e a p e r i o d i c g - a t i n g a s a model f o r t h e r c u g h s u r f a c e . A s h n s b e e n p o i n t e d o u t i r . v a r i o u s c a s e s

/3-5/

t h e R a y l e i g h h y p o t h e s i s ori he m a t c h i n g o f Che f i e l d s a t t h e s u r 2 f a c e h a s b e e n p r c v e d t o h e w e l l a d e q u a t e a l s o r c r l a r g e r o u g h ~ e s s , i . e . r s a t i o s u p t h e < , / a

=.6.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1984532

(3)

C5-226 J O U R N A L DE PHYSIQUE

T h e solt:',iorl ol' !1axwcllt::. e c t , ; i t i o r i s a t t h c x i):)undar,y :low praovidc:; t h e c o n d i t i o n f'cr n p r o p a g a t i c g Ihrave. F ' o ~ r i e r - e x p a r ~ d j rig t h e f i e l d s o u t s j d e ( ; h e s e l v e d g e r e g i o r ; :

C o r : s e q u c r t l y t h i s h y p o ' , i . ~ e s i s w i l l n.Lsc h c u s c d h e r 3 e . N i t i i r , i . h i s f'rrime- worK Lthc p x p a g a t i o n of' p - p o l a r i z e d s r l r f a c c p o l a r t t o r l s h a s beer1 i n v e s -

L.,l-i,at;ed by Z.aks e t ; ; I . ' 1 3 1 f'o-, a n o d e 1 n c L a I .

I r : t h e I ' o l l o w i n g we cc:r::ii.dcr ;i c i e l e c t r i c m e t e r i a l r e p r e s e r . ' , e c i i r ~ t h e s m a l l k - l i m y t by a f r c q ~ c n c y d e p e n t l e r ~ t d i c 1 e c t r . i c consL:int; c ( w ) or.

wkiick: a s i n i i ~ o i ~ i a - g r a t i.ng i s r , u l e d :

i x - 3 : k ~ . ~ ) x . ~

x2(x 1 x . . , ~ : -5

'

=

1

A ( X W ) e P - P x - > <

-

p 5 mnx

v a c u u m '3^

E ( W )

a j k F x l + H p ( k w ) x

=

1

3 ( k w ) e 3 x < <

3 1 - w P 3 m i n

( 3 ) 2 n

X j I < ( x ? ) = C 3 8 -

+ 2 "1 ( 1 )

1

w h e r e .x = k + *

r-

CL

ilow, f c r a:) s - p c l a r z i z e d w a v e , n e c l e c t ? o n a p ; n e ~ , i c i ' i e ? d i s g i v e r 1 b y

2 - >

; ( x , t , ) = ( c , Z 2 ( x 1 x 3 ; t ) , o :

:"

I ! : x , ~ ) = (H, : X ~ X ~ ; ' , ) , o , I ~ , ( X ~ X ~ ; ~ )

( a )

we a p p l y 3 e y l e i g k 1 ' : : ! i y y : o t h c u i s , j . e . t h c s o l u t i o n s of' t h e w a v e e q u a - t i c n car. b c c o r i t i n u e c i i n t,o L h e sr1rl"ace a n d t h : l s b e s u b s t i . : u t c d i . n t $ t h e b o . ~ r , d a r . y col-:di:i.ori (:cr:t:r.uj:y o f longitudinal

6

2r.d t a r ! g e r ~ t i a l H) We f i n a l l y a r . ? i v c a t a p a j r c f couple:! horno,.;eneous c q u a t i o r : ~

a w 2 / ~ 2 - k c k y E ( u ) w 2 / ~ ' - k

1

: ( ~ ) ( k u ) A p ( k w ) + p ~ ( p ) ( k o l ) B ( k w ) = 0

? - p

p z - - a ( k o ; ) B p ( k w ) r - P P

P

(6)

w h n r e t h e F c u r i e r - c o c f f i . c i ~ ? . : , i t c I('', :I J(': r. ?arl b e e x p r e s s e d i r . c a s e o f a s i r ~ r l s c i t l a l g-(,at.ir.g i : ~ :cr.ms o f ~ c : d i f i e d 3 e s s c I i'ar1c:tions I , ( z ) :

T h e s c t o f c q ~ l a t i o r ~ s

( c )

c a n b e r c C ; t ~ c e c t o 2 s i r : g l e e q u a : . i o r . :in t h e c o e l ' l ' i c i e n t , ~ A o r s Uc, r . c r , p . This i s ; ~ c h j c v z c b y a p p r 4 0 p r 3 i a t e e 1 i m i r . a -

P

t i o : . ~ a r ~ d ir ; ~ . e g ~ : % : , j . o n by ;,ay.ts w h e r e o n e j . n > e p ; r a l c a r , b e showt? t o

(4)

val;is:1 i n C : ~ S Y ci. 2 s : j n ~ e l ; r ~ j z sl.'f'ace n r 8 c f i !.e r , ( Y ) . Z r ~ c f i n s l l y c b - t a i n s f ' o r :ne o o c x f ' i ' - i c i e n t s P. r e s p .

F'

' [ ' h i s e q . h ~ t o b c c o m p a r 2 c d r i i ~ n s ',ne c c r ' r 7 c s p o r . d i r i g c x p ~ ~ c s s i o n f ' o r p - p o l a r i z a t i o n d e r i . " ~ e d i r / I / :

. S i c d i s p e r s i o r i r . e l a t i o : . ~ I s r.ol:d o b t a i n e d by c q u a 2 i r i g t o L e r c , l , h c o e t e r - mirin1.t i'orrnicd e i t , n e ? b y e q s . (6) c:. e q .

(2).

'?'hi.s ? a s :,o b e d o r . e n ~ -

~ . c - . i z e l l y . Cer1er.51. i j i

,

!.!e i-~rrvc d c ' c r r n l r ~ a r ~ t s 0-7 n i ' i c:it,e c i : n o ~ ~ r , i . o r . . Ccrl- v e r g e r - t v > e s : l l r , s h a v e t o b e cb',ai:led 3 y i n c - e a s i n g t h e ~::jnCer. 3:' t , e r m s i n :?I(: sun:; a n d c:a.l::ula';ir.g ?r.:>n i h c ~ c : ~ c e s t h 2 d i s p e r . s i : ) n A ( > ) u p t o a d e s i r e d s c c u r a a g .

T k c c a l c u l a t i . o r ~ n 3ji Laks el: al. i j / a r c b a s e d ori t,iie -or:-cspondi.r.e;

eql~!+t;ior.s 4-0 c q s . ( 6 ) Yo:- g-solar.iz;..:ior.. - i < c r 3 c o r n p a ~ i s o n we s l w a y s c a l c u l s t e 5 bbc'sh t h o s - p : ) l a r i z e c , d c t c : ~ n l r . a n l : icls w c : ~ 1 R S ';he p - p o l n - i z e C d c t c r , m i n e n : ,

,

:.ll.c!v'ir:g i h c w e v e v e c t o r , k ;:I b e c o x p l e x 2r:d k e e p i n g t h e r r e q u e r ~ c y I.! r o a l

.

Tr, c n s c o f 2 r . e a r l y l'r8c:c! e l e c t - c r : m e t a l

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T o v . t t : e p - p c l a r l ~ o d p o l ; , r , i t o r . . : . J ~ ~ ~ ~ e r ' i c i . l l j i we d i d n c t f'jr::: ariy m a j o r a c ' v a r ! t o g c 1.3 evalu:!Lil.:g e q . ( 8 ) ovc:r, cq:;.

(6).

T h i s i s ' D c c a u s c i n

(8)

we t:ave t o a a v c ~ : c c Lo a ?~ig:1c? r:x:nbe:. or' t e r n s L C g e t thc! s a m e Te:,e c.f

~:orivergel:::(:.

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. .

:*::';h r e s p e c t t o the s - p o l a z 3 i z e d c>rSc w c v a r i e d f o r e f i x e d i r , r > a f i r . g

> e r i c c : ,

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t h e r * o x g ' i n e s s r a a t i c r, / : j o v e r a c i b r c e : ! e r c a f r s o n 3 . 0 1 t o

0

a.

6.

1 1 1 a - 2 casc:s we I'o:~r:d o v e r 3 t ? i c w h o l e r ~ o r ~ r a : : i a t i v e ar8c:.a a mor.otor.c

B . 5 1

k / ( w / a ) ---- >

F i g . 1 . B r a r ~ c h e s ?3? t k e p - p : ~ l a r i z e d s:r.f:iee pol2:--i:,or~ I n t,he f ' i v s t B r l l . l u u i r ! 7,:)r.e ( s o l i d i r ~ e ) i r . c:ompar'isc:n L O t h e :'lzl; s u r a f a c : e d i s p e - - s i : ) n ( B ~ ~ o k e r i l i n e ) i ' o r A ! (!., = 1!1.3 e V ) . A c d i t i c r . ? l l y t i l e r e l a t i v e v s i ~ c o f t h e d e t e r n , l . r . g i ~ : , of Oric s - p o j - a r i z e d c a s e at. k / ( l : / a >

.

.:I a s R f ' u : ~ c t , i o n c:f w i s slio,xr!.

(5)

C5-228 JOURNAL DE PHYSIQUE

kehavlo-rb o f ?ti(: v r l u e o f ' l,he d e t e r n i nclnt a:?d c s p c c i a1 1 y "i<> c h a r ~ g c o f s i g n occur,erj. a!, a l l . T h i s leads c o t h e c c r l c l ~ s i o r ~ : h a t t h e r e i s , c o n - t . . ~ % ~ ~ y t o t h e p-p31:iri7.ed c a s e , n 3 z e r s o i r l t i l e d c t c ~ n i r r a r ~ t . The S e h a v - i . o r o f :he de:,ernlr::lnt f-or ci = 5 3 0

8

a r ~ i 5 / a =

.6

a t n c e r t , a i r ~ k-poirl: l o r A:

'

= 311.3 e V ) i s sl~owr! i r ~ F i g . 1 . ? o r c . o m p a r i s o r . t,hc p - p o i a r i z e d d i s p c r s i o r : c u r v e for- t h e f l a ~ s : l r f a c c e n d t h e s a x e s i r : u - s o i d a ' l gra:,inp, a r c s l s c i r c t l r j c c d . b : s s e r ! t i a l l y tk:e same r e s u l t s h a v e

n ,>

k e e n ohtair!et:, i n c a s e c f 2 di;ll,om.ic c r y s t a l w h e r e ~ ( w ) = c_(wC-w:,) 2 3

/ ( " They a r e repre:;en',ed ?or. l:a(:; .in F i g . 2.

-.

F l y . 2 . B r a n c h e s ?orz ',he p - p o ? a r j z , c c sl;t7i"acc p o l a ~ i t o n i r ~ the f i r s t 3 r i l l o u i n z0r.e ( s o l i d l i n e ) i r~ ::on?parisor. L O ';he ?:at s 1 ; r f a c e d i s p e r s i o n ( b r o k e n l i n e ) f o r I;eCl ( = 16h llca, uk = !6!1 I /on

) . A g a i n t h c r e i a t i v e v a . l ~ e of' t,he d e t e r n i r l a r . : of' t .e s p o l a - r i z e d cast a t k / ( , ~ / a ) = . 5 as a f'unc:ti:)n oi' u i s a d d i t i c ~ a l l y s h o w n .

R e v i e w i r . ~ now e q s . ( 8 ) a n d ( g ) , t h c p ? o p a g a t ; . o r ! of' :he p - p o . l n r a i . t o n a t :hc s u r r a c e i s o b v i o a s l y d u e t o Lhe d i r f c r c r - c e B , ( k w ) u ( k ~ ) - k k i n

P 7- P

c 3 . ( 9 ) g i . v i n g r i s e t o t n e z c r 3 o f t h e del,ert?i r l a r i t . I', i s e a s i l y s e e r . t h a t t h e z e r o o f t,he d i a g o n a l tc,rrc 6 . a - k 2 i s j u s t t h e d i s p e r s i c r i or1 a f l a t si;rf'ac:e. ';he f ' v r l , h e r :e?ns g i v e r i s e t o t h e d e v i a t , i o n t r c n l t h e f ' l a t s u ~ ~ f a c e . 1r1 t h e s-pol.ar!.ze:l cast ( e q .

(8))

t h i s t i i s p e - s i v e tc-rn i s n o t p r e s e n t , w t ~ c r ~ e a : ; a l l t.:.lc o t h e r ter8m:; i i r e thc: s a m e . Prom t h i s p o i n t o i ' v i e w i.t i s v c r y u n l i k e 1 y t o f i n c zc-:r,oc,s o f t h e d e t e r r n i r ~ a r ~ t 1'3rned by e q . ( 8 ) .

'I'o c o r l c l u d e w i t h we f i n d t h a t , a l t o u g h we c a n g i v e some f0rrna.L c x - p - e s s i o n , : ; h e r e J.s i n d e e d n o c o u p 1 i r ~ g of' ;ln s - p o l . a r 2 j z e d s u r i ' a c e p o l a r i - t o n i n c a s e o f a s i r : u s o i d a l g r a ' i n g e v e r f'o? l a r g e r a L i o s 6 / a < . 6 . H:,I'erences

/ 1 / Mar.aduciin,A.P,.

,

i r: " S i l r f a c e ? o l z r . i t , o r . s " e d s . V . 3 l . A g r a r 1 o v i c h a n d I). : , . X i l I s , Sloratki H o l l a r ~ d , P.msterd;lx 1 9 8 2 , p j I c j ? f .

/ ? / G l a s a , N . E . a n d A.A.Maraadudin, J . A p p l . Phy>j.

2

: r 0 8 5 ) '796.

/ 5 / Lsks,:?.

,

3.1,.>1j 1 1 s 2r.b A . A . M a r s a d u d i n , P h y s . H e v . B 2 j ( : 3 0 3 ) 11965.

/ ' I / G l a s s , N . E . a n d A . A . K a r a d u d i n , P h y s . H e v .

B g (I58fl

5!j'1.

/5/

G l a s s ,Pd.I:,.

,

R . i o , ~ d o r ~ ar.d A.A.?Ilnrac,~ctiin, k i y s . R e v . B z ( 1 9 8 1 ) 6 8 b j .

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