Hybride gebonden toestanden in het continuüm in terahertz-metasurfaces

26 mei 2023 (Nanowerk Nieuws) De kwaliteitsfactor (Q) is een kritische parameter die de sterkte van licht-materie-interacties karakteriseert. Holten met hogere kwaliteitsfactoren hebben het vermogen om licht efficiënt te beperken en zo de interacties tussen licht en materie te verbeteren. Deze functie is van groot belang in verschillende toepassingen, zoals lasers, filters, het genereren van harmonischen en sensoren. Er zijn verschillende schema's voorgesteld om de kwaliteitsfactoren in microholten te verbeteren, zoals microschijven, Bragg-reflectormicroholten en fotonische kristallen. Boven de lichtkegel van bandstructuren zijn ook gebonden toestanden zonder stralingslekkage van energie toegankelijk, namelijk gebonden toestanden in het continuüm (BIC). BIC biedt een gegeneraliseerde methode om factorresonanties van ultrahoge kwaliteit te verkrijgen, en wordt daarmee een krachtig mechanisme om licht-materie-interacties te verbeteren die toepassingen hebben gevonden in laagdrempelige lasers, multispectrale detectie en het genereren van hoge harmonischen. Fig. 1 Hybride BIC-roosters. (ac) Schematisch diagram van symmetrie-beschermd BIC-rooster zonder stralingskanaal (a), uniform quasi-BIC-rooster met stralingskanaal open voor alle resonatoren door symmetrie te verbreken (b), en hybride quasi-BIC-rooster met half stralingskanaal open verwisselend langs de x-as (c). (© Opto-Electronic Science) Voor een typische BIC bestaat er een kwadratische kwantitatieve relatie tussen Q en golfvector (k), en gewoonlijk zou een kleine verstoring in k leiden tot een snelle verslechtering van Q. Defecten en stoornissen zijn echter onvermijdelijk geïntroduceerd tijdens de verwerking, waardoor de kwaliteitsfactor van resonanties in daadwerkelijke monsters aanzienlijk wordt verminderd. Het idee om BIC samen te voegen begint met het moduleren van de exponentiële coëfficiënt tussen Q en k (van -2 naar -6), wat de verslechtering van Q grotendeels verlicht en een zeer effectief mechanisme oplevert. Maar deze aanpak vereist nauwkeurige controle van de geometrische afmetingen van microstructuren en is alleen toepasbaar op bandstructuren die tegelijkertijd symmetrie-beschermde en accidentele BIC's hebben, met nogal strenge eisen. Onlangs heeft de groep van Longqing Cong aan de Southern University of Science and Technology (SUSTech) een meer algemene aanpak voorgesteld om de algehele kwaliteitsfactoren en robuustheid van door symmetrie beschermde BIC te verbeteren. In tegenstelling tot de conventionele aanpak om quasi-BIC te bereiken door de symmetrie van resonatoren uniform te doorbreken in het gehele rooster van metamaterialen (zie figuren la en b), behouden ze selectief de lokale C1-symmetrie van het gehele rooster, zodat het stralingsverlies kan worden verminderd en de kwaliteitsfactor van de array wordt verbeterd (zie figuur 2c). Fig.2 Significante Q-verbetering in hybride BIC-roosters en robuustheid tegen fabricage-imperfecties. (a) Evolutie van stralings-Q versus asymmetriegraad voor U-qBIC-, Ht-BIC-, Hx-BIC- en Hq-BIC-roosters. De algehele kwaliteitsfactoren zijn verbeterd in hybride eenheidscellen met een lagere stralingsdichtheid. (b) Invloeden van imperfectie bij de fabricage op kwaliteitsfactoren in de vier scenario's. (© Opto-Electronic Science) Dit is een algemene methode die kan worden uitgebreid naar elke symmetrie-beschermde BIC zonder vereisten van nauwkeurig geometrisch ontwerp of bandselectiviteit. Volgens kwalitatieve en kwantitatieve analyse kan het hybride BIC-rooster een kwaliteitsfactor bereiken die meer dan 14.6 keer hoger is dan die van het conventionele rooster (Fig. 2a). Door de proportionele coëfficiënt tussen Q en k te verhogen, wordt de robuustheid van de kwaliteitsfactor van de hybride BIC-metasurfaces tegen stoornissen en andere verstoringen verbeterd, waardoor de verslechtering van de kwaliteitsfactor in daadwerkelijke apparaten effectief wordt verminderd. Dit biedt een meer algemene en eenvoudige benadering om een ​​factor van hoge kwaliteit te bereiken (figuur 2b). Door wederzijdse ruimteanalyse van het rooster kan het hybride BIC-rooster tegelijkertijd de eigentoestanden van de X-, Y- en M-punten van het uniforme BIC-rooster naar het Γ-punt vouwen, zodat meerdere Fano-resonanties kunnen worden waargenomen in de verre veldstraling (Afb. 3). Fig.3 Gegeneraliseerde hybride BIC van hoge orde. ( a, b ) Microscopische afbeeldingen van Ht-BIC- en Hq-BIC-metasurfaces met respectievelijk drie en één asymmetrische resonator van de vier in een 2 × 2 supercel, en de periode is 2a langs zowel de x- als de y-as. Schaalbalk, 20 µm. (c) Schematisch diagram van bandvouwing van U-qBIC-rooster (zwart) naar Ht-BIC/Hq-BIC (rood) in de Brillouin-zone. (d) Gesimuleerde transmissieamplitudespectra van de Ht-BIC (links) en Hq-BIC (rechts) metasurfaces bij een asymmetriegraad van 2.97%. (© Opto-Electronic Science) Fano-resonanties met meerdere hoogwaardige factoren zijn erg belangrijk bij het genereren van pulsen, detectie, communicatie, enz., vooral voor de ontwikkeling van detectie en draadloze communicatie van de volgende generatie op basis van terahertz-fotonica. Dit biedt nieuwe inzichten in het samensmelten van metasurfaces en terahertz-fotonica om hun ontwikkeling op diverse gebieden te vergemakkelijken. Dit werk zal de fysieke implicatie van BIC verder verrijken en het perspectief van metamaterialen en terahertz-fotonica verbreden. Het team publiceerde hun bevindingen in Opto-elektronische wetenschap (“Hybride gebonden toestanden in het continuüm in terahertz-metasurfaces”).

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoAiStream. Web3 gegevensintelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• De toekomst slaan met Adryenn Ashley. Toegang hier.
• Koop en verkoop aandelen in PRE-IPO-bedrijven met PREIPO®. Toegang hier.
• Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63062.php