États liés hybrides dans le continuum dans les métasurfaces térahertz

États liés hybrides dans le continuum dans les métasurfaces térahertz

Horodatage: 26 mai 2023, 4 h 19
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26 mai 2023 (Actualités Nanowerk) Le facteur de qualité (Q) est un paramètre critique qui caractérise la force des interactions lumière-matière. Les cavités présentant des facteurs de qualité plus élevés ont la capacité de confiner efficacement la lumière et ainsi d’améliorer les interactions lumière-matière. Cette fonctionnalité revêt une importance significative dans diverses applications telles que les lasers, les filtres, la génération d'harmoniques et les capteurs. Différents schémas ont été proposés pour améliorer les facteurs de qualité dans les microcavités, telles que les microdisques, les microcavités à réflecteur de Bragg et les cristaux photoniques. Au-dessus du cône de lumière des structures de bandes, des états liés sans fuite radiative d'énergie sont également accessibles, à savoir les états liés dans le continuum (BIC). BIC fournit une méthode généralisée pour obtenir des résonances de facteur de qualité ultra-élevée, devenant ainsi un mécanisme puissant pour améliorer les interactions lumière-matière qui ont trouvé des applications dans les lasers à bas seuil, la détection multispectrale et la génération d'harmoniques élevées. États liés hybrides dans les réseaux continus Fig. 1 Treillis BIC hybrides. (ac) Diagramme schématique d'un réseau BIC protégé par symétrie sans canal de rayonnement (a), d'un réseau quasi-BIC uniforme avec canal de rayonnement ouvert pour tous les résonateurs en brisant la symétrie (b) et d'un réseau quasi-BIC hybride avec un demi-canal de rayonnement à échange ouvert le long de l’axe x (c). (© Opto-Electronic Science) Pour un BIC typique, il existe une relation quantitative quadratique entre Q et le vecteur d'onde (k), et généralement une infime perturbation de k conduirait à une détérioration rapide de Q. Cependant, des défauts et des troubles sont inévitablement introduits pendant le traitement, ce qui réduit considérablement le facteur de qualité des résonances dans les échantillons réels. L'idée de fusionner BIC commence par moduler le coefficient exponentiel entre Q et k (de -2 à -6), ce qui atténue largement le taux de détérioration de Q et fournit un mécanisme très efficace. Mais cette approche nécessite un contrôle précis des dimensions géométriques des microstructures et n’est applicable qu’aux structures de bandes possédant simultanément des BIC protégés par symétrie et accidentels, avec des exigences plutôt strictes. Récemment, le groupe de Longqing Cong de l'Université des sciences et technologies du Sud (SUSTech) a proposé une approche plus généralisée pour améliorer les facteurs de qualité globaux et la robustesse du BIC protégé par symétrie. Contrairement à l'approche conventionnelle consistant à obtenir un quasi-BIC en brisant uniformément la symétrie des résonateurs dans tout le réseau de métamatériaux (voir Fig. 1a et b), ils maintiennent sélectivement la symétrie C2 locale de l'ensemble du réseau afin que la perte radiative puisse être diminuée et que le facteur de qualité du réseau soit amélioré (voir Fig. 1c). Amélioration significative du Q dans les réseaux hybrides BIC et robustesse contre les imperfections de fabrication Fig.2 Amélioration significative de Q dans les réseaux BIC hybrides et robustesse contre les imperfections de fabrication. (a) Evolution du Q radiatif en fonction du degré d'asymétrie pour les réseaux U-qBIC, Ht-BIC, Hx-BIC et Hq-BIC. Les facteurs de qualité globaux sont améliorés dans les cellules unitaires hybrides présentant une densité de rayonnement plus faible. (b) Influences des imperfections de fabrication sur les facteurs de qualité dans les quatre scénarios. (© Opto-Electronic Science) Il s'agit d'une méthode généralisée qui pourrait être étendue à n'importe quel BIC protégé par symétrie sans exigences de conception géométrique précise ou de sélectivité de bande. Selon une analyse qualitative et quantitative, le réseau hybride BIC peut atteindre un facteur de qualité plus de 14.6 fois supérieur à celui du réseau conventionnel (Fig. 2a). En augmentant le coefficient proportionnel entre Q et k, la robustesse du facteur de qualité des métasurfaces BIC hybrides contre les désordres et autres perturbations est améliorée, réduisant ainsi efficacement la détérioration du facteur de qualité dans les dispositifs réels. Cela fournit une approche plus généralisée et simple pour obtenir un facteur de qualité élevée (Fig.2b). Grâce à l'analyse spatiale réciproque du réseau, le réseau BIC hybride peut simultanément replier les états propres des points X, Y et M du réseau BIC uniforme vers le point Γ, de sorte que plusieurs résonances de Fano puissent être observées dans le rayonnement en champ lointain. (Fig. 3). BIC hybride généralisé d’ordre élevé Fig.3 BIC hybride d'ordre élevé généralisé. (a, b) Images microscopiques des métasurfaces Ht-BIC et Hq-BIC avec respectivement trois et un résonateurs asymétriques sur quatre dans une supercellule 2 × 2, et la période est de 2a le long des axes x et y. Barre d'échelle, 20 µm. (c) Diagramme schématique du pliage de bande du réseau U-qBIC (noir) à Ht-BIC/Hq-BIC (rouge) dans la zone Brillouin. ( d ) Spectres d'amplitude de transmission simulés des métasurfaces Ht-BIC (à gauche) et Hq-BIC (à droite) à un degré d'asymétrie de 2.97 %. (© Opto-Electronic Science) Les résonances Fano à facteurs de qualité multiples et de haute qualité sont très importantes dans la génération d'impulsions, la détection, la communication, etc., en particulier pour le développement de la détection et de la communication sans fil de nouvelle génération basée sur la photonique térahertz. Cela offre de nouvelles perspectives sur la fusion des métasurfaces et de la photonique térahertz pour faciliter leur développement dans divers domaines. Ce travail enrichira encore l'implication physique du BIC et élargira la perspective des métamatériaux et de la photonique térahertz. L'équipe a publié ses conclusions dans Science opto-électronique ("États liés hybrides dans le continuum des métasurfaces térahertz").

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