Hybridisatie van oppervlakteroosterresonanties induceert dual-band gebonden toestanden in continuüm

Voorgestelde dual-band BIC’s in silicium bipartiete nanodisk-array. (A) 3D- en (B) bovenaanzicht schema’s van de silicium bipartiete nanodisk array in studie, die kan worden behandeld als de hybridisatie van twee single-nanodisk arrays (in rood en blauw). De eenheidscel met vierkant rooster van periode Λ wordt geïllustreerd door de rode gestippelde doos met twee silicium nanoschijven met diameter d en dikte h. De centrale nanoschijf wordt verticaal verplaatst van de oorsprong van de eenheidscel met Δ y. (C) en (D) Gesimuleerde nulde-orde transmissiespectra (C) als functies van Δy of (D) voor Δy = 50 nm, met twee takken van extreem smalle dips. De stippellijn geeft de (0, ±1) of (±1, 0) RA-golflengte aan. (E) en (F) Near-field elektrisch gevijlde distributies (kleur voor intensiteit en pijlen voor richtingen) in het x − y-vlak op de halve hoogte van silicium nanoschijf voor de resonantiegolflengten van quasi-BIC I en II, zoals aangegeven door de dips in (D). Symbolen “+” en “−” in (E) geven de verdeling van de lading aan. De silicium nanoschijven worden omlijnd door witte cirkels en een eenheidscel wordt omlijnd door het gestippelde vak in (E) en (F). Credit: Nanofotonica (2022). DOI: 10.1515/nanoph-2022-0427

In metasurfaces zijn oppervlakteroosterresonanties (SLR’s) en gebonden toestand in het continuüm (BIC) twee handige benaderingen om factoren van hoge kwaliteit (Q-factoren) te bereiken.

Een onderzoeksgroep onder leiding van Dr. Li Guangyuan van het Shenzhen Institute of Advanced Technology (SIAT) van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft onthuld dat hybridisatie van spiegelreflexcamera’s kan resulteren in dual-band BIC’s in siliciummeta-oppervlakken. De gemeten Q-factoren kunnen oplopen tot 1240.

Ze toonden ook aan dat de resonantiegolflengten en Q-factoren van de dual-band quasi-BIC’s gemakkelijk kunnen worden afgestemd door de grootte van de nanodeeltjes of de roosterperiode te variëren.

Deze studie is gepubliceerd in Nanofotonica op 1 november.

Tot op heden zijn de meeste door symmetrie beschermde BIC’s in periodieke nanostructuren afhankelijk van het breken van de structurele symmetrie van de eenheidscel-nanodeeltjes. Gerapporteerde benaderingen omvatten asymmetrisch gevormde nanodeeltjes en bipartiete nanodeeltjes met verschillende afmetingen. Om hoge Q-factoren voor quasi-BIC’s te bereiken, moet de structurele asymmetrieparameter klein genoeg zijn, wat een uitdaging vormt voor de nanofabricage.

Een verschil in grootte van minder dan 10% is een hele uitdaging, vooral wanneer de diameter van de nanodeeltjes slechts enkele honderden nanometers is. De relatieve posities van nanodeeltjes kunnen echter nauwkeurig worden gecontroleerd in de top-down nanofabricage. “Dit motiveerde ons om periodieke bipartiete nanodeeltjes voor te stellen waarbij de centrale enigszins verschoven is van het midden van de eenheidscel”, zei Dr. Li.

“Tot onze verbazing zijn de elektrische dipool-SLR’s (ED-SLR’s) ondersteund door twee individuele siliciumroosters volledig met elkaar opgeheven in de bipartiete arrays, ” zei Dr. Li. “In plaats daarvan hebben we dual-band BIC’s waargenomen vanwege de hybridisaties van twee in-plane elektrische quadrupole SLR’s (EQ-SLR’s) en van twee out-of-plane magnetische dipool-SLR’s (MD-SLR’s) die worden ondersteund door de twee individuele silicium roosters.”

De onderzoekers bespraken ook de afstembaarheid en de mogelijke toepassingen. Ze ontdekten dat de afstembaarheid van SLR’s door de diameter van de silicium nanodisks en de roosterperiode te variëren, wordt overgenomen door de dual-band BIC’s.

“We hopen dat dit concept zal helpen om de inherente verliezen te onderdrukken en om hoge Q-factoren voor plasmonische meta-oppervlakken te bereiken,” zei Dr. Li.