Hybrid gebundene Zustände im Kontinuum in Terahertz-Metaoberflächen

26. Mai 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Der Qualitätsfaktor (Q) ist ein kritischer Parameter, der die Stärke der Licht-Materie-Wechselwirkungen charakterisiert. Hohlräume mit höheren Qualitätsfaktoren haben die Fähigkeit, Licht effizient einzudämmen und so die Licht-Materie-Wechselwirkungen zu verbessern. Diese Funktion ist in verschiedenen Anwendungen wie Lasern, Filtern, Oberwellenerzeugung und Sensoren von erheblicher Bedeutung. Zur Verbesserung der Qualitätsfaktoren in Mikrokavitäten wie Mikroscheiben, Bragg-Reflektor-Mikrokavitäten und photonischen Kristallen wurden verschiedene Schemata vorgeschlagen. Oberhalb des Lichtkegels von Bandstrukturen sind auch gebundene Zustände ohne Strahlungsverlust von Energie zugänglich, nämlich gebundene Zustände im Kontinuum (BIC). BIC bietet eine verallgemeinerte Methode zum Erhalten von Faktorresonanzen mit ultrahoher Qualität und wird so zu einem leistungsstarken Mechanismus zur Verbesserung der Licht-Materie-Wechselwirkungen, die Anwendung in Lasern mit niedriger Schwelle, multispektraler Erfassung und der Erzeugung hoher Harmonischer gefunden haben. Abb. 1 Hybride BIC-Gitter. (ac) Schematische Darstellung eines symmetriegeschützten BIC-Gitters ohne Strahlungskanal (a), eines einheitlichen Quasi-BIC-Gitters mit offenem Strahlungskanal für alle Resonatoren durch Brechen der Symmetrie (b) und eines hybriden Quasi-BIC-Gitters mit offenem Austausch des halben Strahlungskanals entlang der x-Achse (c). (© Opto-Electronic Science) Bei einem typischen BIC besteht eine quadratische quantitative Beziehung zwischen Q und Wellenvektor (k), und normalerweise würde eine geringfügige Störung von k zu einer schnellen Verschlechterung von Q führen. Defekte und Störungen sind jedoch unvermeidlich Während der Verarbeitung entstehen Störungen, die den Qualitätsfaktor von Resonanzen in tatsächlichen Proben erheblich verringern. Die Idee, BIC zusammenzuführen, beginnt mit der Modulation des Exponentialkoeffizienten zwischen Q und k (von -2 bis -6), was die Verschlechterungsrate von Q weitgehend mildert und einen sehr effektiven Mechanismus bietet. Dieser Ansatz erfordert jedoch eine präzise Kontrolle der geometrischen Abmessungen von Mikrostrukturen und ist nur auf Bandstrukturen anwendbar, die gleichzeitig symmetriegeschützte und zufällige BICs aufweisen, wobei recht strenge Anforderungen gestellt werden. Kürzlich schlug die Gruppe von Longqing Cong an der Southern University of Science and Technology (SUSTech) einen allgemeineren Ansatz vor, um die Gesamtqualitätsfaktoren und die Robustheit des symmetriegeschützten BIC zu verbessern. Im Gegensatz zum herkömmlichen Ansatz, einen Quasi-BIC durch gleichmäßiges Brechen der Symmetrie der Resonatoren im gesamten Gitter zu erreichen Metamaterialien (siehe Abb. 1a und b) behalten sie selektiv die lokale C2-Symmetrie des gesamten Gitters bei, sodass der Strahlungsverlust verringert und der Qualitätsfaktor des Arrays verbessert werden kann (siehe Abb. 1c). Abb.2 Signifikante Q-Verbesserung bei Hybrid-BIC-Gittern und Robustheit gegenüber Herstellungsmängeln. (a) Entwicklung des Strahlungs-Q gegenüber dem Asymmetriegrad für U-qBIC-, Ht-BIC-, Hx-BIC- und Hq-BIC-Gitter. Bei hybriden Elementarzellen mit geringerer Strahlungsdichte werden die Gesamtqualitätsfaktoren verbessert. (b) Einflüsse von Fertigungsmängeln auf Qualitätsfaktoren in den vier Szenarien. (© Opto-Electronic Science) Dies ist eine verallgemeinerte Methode, die auf jeden symmetriegeschützten BIC erweitert werden kann, ohne dass ein genaues geometrisches Design oder Bandselektivität erforderlich ist. Laut qualitativer und quantitativer Analyse kann das hybride BIC-Gitter einen Qualitätsfaktor erreichen, der mehr als 14.6-mal höher ist als der des herkömmlichen Gitters (Abb. 2a). Durch die Erhöhung des Proportionalkoeffizienten zwischen Q und k wird die Robustheit des Qualitätsfaktors der hybriden BIC-Metaoberflächen gegenüber Störungen und anderen Störungen verbessert, wodurch die Verschlechterung des Qualitätsfaktors in tatsächlichen Geräten effektiv reduziert wird. Dies bietet einen allgemeineren und einfacheren Ansatz zum Erreichen eines Qualitätsfaktors (Abb. 2b). Durch reziproke Raumanalyse des Gitters kann das hybride BIC-Gitter gleichzeitig die Eigenzustände der X-, Y- und M-Punkte des einheitlichen BIC-Gitters zum Γ-Punkt falten, sodass in der Fernfeldstrahlung mehrere Fano-Resonanzen beobachtet werden können (Abb. 3). Abb.3 Verallgemeinerter Hybrid-BIC höherer Ordnung. (a, b) Mikroskopische Bilder von Ht-BIC- und Hq-BIC-Metaoberflächen mit drei bzw. einem von vier asymmetrischen Resonatoren in einer 2×2-Superzelle und einer Periode von 2a entlang der x- und y-Achse. Maßstabsbalken, 20 µm. (c) Schematische Darstellung der Bandfaltung vom U-qBIC-Gitter (schwarz) zum Ht-BIC/Hq-BIC (rot) in der Brillouin-Zone. (d) Simulierte Transmissionsamplitudenspektren der Metaoberflächen Ht-BIC (links) und Hq-BIC (rechts) bei einem Asymmetriegrad von 2.97 %. (© Opto-Electronic Science) Fano-Resonanzen mit mehreren hochqualitativen Faktoren sind sehr wichtig für die Impulserzeugung, Sensorik, Kommunikation usw., insbesondere für die Entwicklung der Sensorik und der drahtlosen Kommunikation der nächsten Generation auf Basis der Terahertz-Photonik. Dies bietet neue Einblicke in die Fusion von Metaoberflächen und Terahertz-Photonik, um deren Entwicklung in verschiedenen Bereichen zu erleichtern. Diese Arbeit wird die physikalischen Auswirkungen von BIC weiter bereichern und die Perspektive von Metamaterialien und Terahertz-Photonik erweitern. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in Optoelektronische Wissenschaft („Hybrid gebundene Zustände im Kontinuum in Terahertz-Metaoberflächen“).

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