Stati legati ibridi nel continuum in metasuperfici terahertz

Stati legati ibridi nel continuum in metasuperfici terahertz

Timestamp: 26 maggio 2023 4:19
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26 maggio 2023 (Notizie Nanowerk) Il fattore di qualità (Q) è un parametro critico che caratterizza la forza delle interazioni luce-materia. Le cavità con fattori di qualità più elevati hanno la capacità di confinare efficacemente la luce e quindi di migliorare le interazioni luce-materia. Questa caratteristica riveste un'importanza significativa in varie applicazioni come laser, filtri, generazione di armoniche e sensori. Sono stati proposti diversi schemi per migliorare i fattori di qualità nelle microcavità, come microdischi, microcavità con riflettori di Bragg e cristalli fotonici. Al di sopra del cono di luce delle strutture a bande sono accessibili anche gli stati legati senza dispersione radiativa di energia, vale a dire gli stati legati nel continuo (BIC). BIC fornisce un metodo generalizzato per ottenere risonanze con fattori di altissima qualità, diventando così un potente meccanismo per migliorare le interazioni luce-materia che hanno trovato applicazioni nei laser a bassa soglia, nel rilevamento multispettrale e nella generazione di armoniche elevate. Stati legati ibridi nei reticoli continui Fig. 1 Reticoli BIC ibridi. (ac) Diagramma schematico del reticolo BIC protetto dalla simmetria senza canale di radiazione (a), reticolo quasi-BIC uniforme con canale di radiazione aperto per tutti i risonatori rompendo la simmetria (b) e reticolo quasi-BIC ibrido con mezzo canale di radiazione aperto interscambiabile lungo l'asse x (c). (© Opto-Electronic Science) Per un tipico BIC esiste una relazione quantitativa quadratica tra Q e il vettore d'onda (k), e di solito un piccolo disturbo in k porterebbe ad un rapido deterioramento di Q. Tuttavia, difetti e disturbi sono inevitabilmente introdotti durante la lavorazione che riducono notevolmente il fattore di qualità delle risonanze nei campioni reali. L’idea di fondere BIC inizia con la modulazione del coefficiente esponenziale tra Q e k (da -2 a -6), che allevia ampiamente il tasso di deterioramento di Q e fornisce un meccanismo molto efficace. Ma questo approccio richiede un controllo preciso delle dimensioni geometriche delle microstrutture ed è applicabile solo a strutture a bande che hanno contemporaneamente BIC protetti dalla simmetria e accidentali, con requisiti piuttosto severi. Recentemente, il gruppo di Longqing Cong presso la Southern University of Science and Technology (SUSTech) ha proposto un approccio più generalizzato per migliorare i fattori di qualità complessivi e la robustezza del BIC protetto dalla simmetria. A differenza dell'approccio convenzionale che prevede il raggiungimento del quasi-BIC rompendo la simmetria dei risonatori in modo uniforme nell'intero reticolo metamateriali (vedere Fig. 1a e b), mantengono selettivamente la simmetria locale C2 dell'intero reticolo in modo che la perdita radiativa possa essere ridotta e il fattore di qualità dell'array sia migliorato (vedere Fig. 1c). Significativo miglioramento della Q nei reticoli BIC ibridi e robustezza contro le imperfezioni di fabbricazione Fig.2 Miglioramento significativo del Q nei reticoli BIC ibridi e robustezza contro le imperfezioni di fabbricazione. (a) Evoluzione del Q radiativo rispetto al grado di asimmetria per i reticoli U-qBIC, Ht-BIC, Hx-BIC e Hq-BIC. I fattori di qualità complessivi sono migliorati nelle celle unitarie ibride con una densità di radiazione inferiore. (b) Influenze dell'imperfezione di fabbricazione sui fattori di qualità nei quattro scenari. (© Opto-Electronic Science) Questo è un metodo generalizzato che potrebbe essere esteso a qualsiasi BIC protetto dalla simmetria senza requisiti di progettazione geometrica accurata o selettività di banda. Secondo l'analisi qualitativa e quantitativa, il reticolo ibrido BIC può raggiungere un fattore di qualità più di 14.6 volte superiore a quello del reticolo convenzionale (Fig. 2a). Aumentando il coefficiente proporzionale tra Q e k, la robustezza del fattore di qualità delle metasuperfici BIC ibride contro disturbi e altri disturbi viene migliorata, riducendo così efficacemente il deterioramento del fattore di qualità nei dispositivi reali. Ciò fornisce un approccio più generalizzato e semplice per ottenere un fattore di alta qualità (Fig.2b). Attraverso l'analisi spaziale reciproca del reticolo, il reticolo BIC ibrido può piegare simultaneamente gli autostati dei punti X, Y e M del reticolo BIC uniforme al punto Γ, in modo che si possano osservare più risonanze Fano nella radiazione in campo lontano (Fig. 3). BIC ibrido generalizzato di ordine elevato Fig.3 BIC ibrido generalizzato di ordine elevato. (a, b) Immagini microscopiche delle metasuperfici Ht-BIC e Hq-BIC con tre e un risonatore asimmetrico su quattro in una supercella 2 × 2, rispettivamente, e il periodo è 2a lungo entrambi gli assi x e y. Barra della scala, 20 µm. (c) Diagramma schematico del ripiegamento della banda dal reticolo U-qBIC (nero) a Ht-BIC/Hq-BIC (rosso) nella zona di Brillouin. ( d ) Spettri di ampiezza di trasmissione simulati delle metasuperfici Ht-BIC (a sinistra) e Hq-BIC (a destra) con un grado di asimmetria del 2.97%. (© Opto-Electronic Science) Le risonanze Fano a fattore multiplo di alta qualità sono molto importanti nella generazione di impulsi, nel rilevamento, nella comunicazione, ecc., in particolare per lo sviluppo del rilevamento e della comunicazione wireless di prossima generazione basata sulla fotonica terahertz. Ciò offre nuove intuizioni sulla fusione delle metasuperfici e sulla fotonica terahertz per facilitare il loro sviluppo in diversi campi. Questo lavoro arricchirà ulteriormente le implicazioni fisiche del BIC e amplierà la prospettiva dei metamateriali e della fotonica terahertz. Il team ha pubblicato la scoperta in Scienza optoelettronica (“Stati legati ibridi nel continuum nelle metasuperfici terahertz”).

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