米氏空隙可带来对空气中光线的控制

发布时间:2023-02-10 03:02:13.000Z

聚焦离子束铣削可以在块状硅片上形成不同直径和深度的锥形空洞。a, 扫描电子显微镜(SEM)图像显示了不同直径和深度的孔的随机排列。硅的表面被白光照亮,反射光被收集。资料来源:M. Hentschel, K. Koshelev, F. Sterl, S. Both, J. Karst, L. Shamsafar, T. Weiss, Y. Kivshar, and H. Giessen

金属和电介质中的共振光学现象在许多领域都有深刻的应用。纳米级的限制允许前所未有地控制表面和界面的光-物质相互作用,操纵和控制光流。共振现象通常与辐射和内在损失通道有关,这在许多系统中是有害的。金属显示出强烈的内在损失。因此,电介质系统最近已成为关注的焦点,因为它们承诺降低损耗,在调整不同共振的相互作用方面具有更高的灵活性,并且制造策略更接近工业标准。

在发表于《光》杂志的一篇新论文中。科学与应用上发表的一篇新论文中,由斯图加特大学的Harald Giessen教授和Mario Hentschel教授以及澳大利亚国立大学的Yuri Kivshar教授领导的科学家团队开发了一种新的电介质纳米光子学技术。他们的论文 "电介质米氏空隙。在空气中限制光线",将大大增强天线和结构设计。

这些系统的光学响应主要与纳米光子系统中高指数电介质颗粒的光学特性研究有关。它被称为米氏理论,它构成了光学元表面的通用构件。米氏理论被用于操纵、路由和限制辐射,并因此引发了 "米氏电子 "时代的开始。然而,禁锢发生在高指数材料内部。大多数模态强度位于材料内部。虽然这在近红外和中红外的波长范围内不太令人关注,但对于可见光甚至紫外光光谱范围内的波长来说,它变得至关重要。

研究人员通过实验实现了一种利用高指数材料的优雅而强大的替代途径。在高指数电介质中的封闭是由于高指数材料和空气界面的有限反射率而发生的。对于固体颗粒来说,该模式是在高指数材料中定位的。虽然早期已经发现了基本概念,但这些结构还没有在纳米光子应用中实现。

研究人员表明,这些空洞模式是由米氏理论预测的,并与高指数球体的米氏模式有密切的相似之处。然而,他们显示出微妙但显著的差异。这项工作的新颖之处在于通过实验实现了一个新的构件,真正为该领域增加了新的功能。研究人员证明了紫外线辐射的共振限制,在紫外线下观察到多达七个高阶共振模式。这一显著特征是由空气中的光限制实现的,使整个模态体积可以被使用和操纵。到目前为止,还没有其他的谐振纳米光子构件能够完成这一任务。

在这个方向上的进一步实验工作可以使用其他高指数材料,米氏球体和空隙的组合,以及金属质子系统与电介质的组合。米氏空隙也特别适合于光学传感和诱捕实验,并且可以利用手性结构。米氏空隙也可用于混合系统,其中量子发射器与米氏空隙耦合,作为局部纳米天线。它在蓝色和紫外线范围内的效果应该特别好。由于有可能用聚合物或电介质填充空隙中的模式体积,米氏空隙在可重复编程结构、开关和主动操纵方面也有很大前景。

更多信息:Mario Hentschel等人,介电米氏空隙:限制空气中的光线,《光。科学与应用(2023)。DOI: 10.1038/s41377-022-01015-z

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