Electric and magnetic toroidal dipole excitations in core-shell spheres

环面 球体 物理 壳体(结构) 偶极子 芯(光纤) 凝聚态物理 磁偶极子 经典力学 材料科学 量子力学 等离子体 光学 天文 复合材料
作者
Tiago J. Arruda
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:109 (23)
标识
DOI:10.1103/physrevb.109.235409
摘要

Toroidal dipole moments, which consist of enclosed circulating currents aligned along paths within a torus shape, can be experimentally achieved in metamaterials using various geometrical configurations. Here, we investigate the excitation of toroidal dipole moments in a core-shell nanosphere composed of dispersive materials within the framework of the Lorenz-Mie theory. By isolating the contributions related to volumetric oscillations of electric charges from those of transverse and radial current oscillations, we derive closed-form analytic expressions for the scattering coefficients associated with electric and magnetic toroidal dipole moments. These analytic expressions, obtained beyond the Rayleigh scattering regime and previously concealed within the Lorenz-Mie theory, agree with the Cartesian toroidal dipoles determined from the radial and transverse current oscillations. By exploring the resonances in these calculated coefficients, we demonstrate that the electric and magnetic toroidal dipole excitations can be manipulated and tuned for near- and far-field applications involving plasmonic core-shell nanoparticles and engineered metamaterials. We believe that our analytic results could shed light on some of the extraordinary effects obtained in Lorenz-Mie theory that depend on the interference of multipole coefficients, such as toroidal dipole-induced transparency, Fano resonances and superscattering of light.
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