Hybridbundne tilstander i kontinuumet i terahertz-metaoverflater

Hybridbundne tilstander i kontinuumet i terahertz-metaoverflater

Tidsstempel: 26. mai 2023 4:19
Kilde node: 2678150
26. mai 2023 (Nanowerk Nyheter) Kvalitetsfaktoren (Q) er en kritisk parameter som karakteriserer styrken til lys-materie-interaksjoner. Hulrom med høyere kvalitetsfaktorer har evnen til å effektivt begrense lys og dermed forbedre lys-materie-interaksjoner. Denne funksjonen har betydelig betydning i ulike applikasjoner som lasere, filtre, generering av harmoniske og sensorer. Ulike ordninger har blitt foreslått for å forbedre kvalitetsfaktorer i mikrohulrom, slik som mikrodisker, Bragg-reflektormikrohulrom og fotoniske krystaller. Over lyskjeglen til båndstrukturer er også bundne tilstander uten strålingslekkasje av energi tilgjengelige, nemlig bundne tilstander i kontinuum (BIC). BIC gir en generalisert metode for å oppnå faktorresonanser med ultrahøy kvalitet, og blir dermed en kraftig mekanisme for å forbedre lys-materie-interaksjoner som har funnet anvendelser i lavterskellasere, multispektral sensing og generering av høye harmoniske. Hybridbundne tilstander i kontinuumgitteret Fig. 1 Hybrid BIC-gitter. (a-c) Skjematisk diagram av symmetribeskyttet BIC-gitter uten strålingskanal (a), jevnt kvasi-BIC-gitter med strålingskanal åpen for alle resonatorene ved å bryte symmetri (b), og hybrid kvasi-BIC-gitter med halv strålingskanal åpen utveksling langs x-aksen (c). (© Opto-Electronic Science) For en typisk BIC er det en kvadratisk kvantitativ relasjon mellom Q og bølgevektoren (k), og vanligvis vil en liten forstyrrelse i k føre til en rask forringelse av Q. Imidlertid introduseres defekter og forstyrrelser uunngåelig under prosessering som i stor grad reduserer kvalitetsfaktor for resonanser i faktiske prøver. Ideen om å slå sammen BIC starter med å modulere den eksponentielle koeffisienten mellom Q og k (fra -2 til -6), som i stor grad lindrer forringelseshastigheten til Q og gir en veldig effektiv mekanisme. Men denne tilnærmingen krever presis kontroll av de geometriske dimensjonene til mikrostrukturer og er kun aktuelt for båndstrukturer som samtidig har symmetribeskyttede og tilfeldige BIC-er, med ganske tøffe krav. Nylig foreslo Longqing Congs gruppe ved Southern University of Science and Technology (SUSTech) en mer generalisert tilnærming for å forbedre de generelle kvalitetsfaktorene og robustheten til symmetribeskyttet BIC. I motsetning til den konvensjonelle tilnærmingen for å oppnå kvasi-BIC ved å bryte symmetrien til resonatorer jevnt i hele gitteret til metamaterialer (se fig. 1a og b), opprettholder de selektivt den lokale C2-symmetrien til hele gitteret slik at strålingstap kan reduseres og kvalitetsfaktoren til arrayet forbedres (se fig. 1c). Betydelig Q-forbedring i hybrid BIC-gitter og robusthet mot fabrikasjonsfeil Fig.2 Betydelig Q-forbedring i hybrid BIC-gitter og robusthet mot fabrikasjonsfeil. (a) Evolusjon av radiativ Q versus asymmetrigrad for U-qBIC, Ht-BIC, Hx-BIC og Hq-BIC gitter. De generelle kvalitetsfaktorene er forbedret i hybridenhetsceller med lavere strålingstetthet. (b) Påvirkninger av fabrikasjonsufullkommenhet på kvalitetsfaktorer i de fire scenariene. (© Opto-Electronic Science) Dette er en generalisert metode som kan utvides til enhver symmetribeskyttet BIC uten krav til nøyaktig geometrisk design eller båndselektivitet. I følge kvalitativ og kvantitativ analyse kan det hybride BIC-gitteret oppnå en kvalitetsfaktor som er mer enn 14.6 ganger høyere enn det for det konvensjonelle gitteret (fig. 2a). Ved å øke proporsjonalkoeffisienten mellom Q og k, forbedres kvalitetsfaktorens robusthet til hybrid BIC-metaoverflatene mot forstyrrelser og andre forstyrrelser, og reduserer derved effektivt forringelsen av kvalitetsfaktoren i faktiske enheter. Dette gir en mer generalisert og enkel tilnærming til å oppnå en høykvalitetsfaktor (fig.2b). Gjennom gjensidig romanalyse av gitteret kan det hybride BIC-gitteret samtidig folde egentilstandene til X-, Y- og M-punktene til det ensartede BIC-gitteret til Γ-punktet, slik at flere Fano-resonanser kan observeres i fjernfeltstrålingen (Fig. 3). Generalisert høyordens hybrid BIC Fig.3 Generalisert høyordens hybrid BIC. (a, b) Mikroskopiske bilder av Ht-BIC og Hq-BIC metaflater med henholdsvis tre og en asymmetrisk resonator av fire i en 2×2 supercelle, og perioden er 2a langs både x- og y-aksen. Målestokk, 20 µm. (c) Skjematisk diagram over båndfolding fra U-qBIC gitter (svart) til Ht-BIC/Hq-BIC (rød) i Brillouin-sonen. (d) Simulerte transmisjonsamplitudespektre for Ht-BIC (venstre) og Hq-BIC (høyre) metasflater ved en asymmetrigrad på 2.97 %. (© Opto-Electronic Science) Flere høykvalitetsfaktor Fano-resonanser er svært viktige i pulsgenerering, sensing, kommunikasjon, etc., spesielt for utviklingen av sensing og neste generasjons trådløs kommunikasjon basert på terahertz-fotonikk. Dette gir ny innsikt i sammensmelting av metasurfacer og terahertz-fotonikk for å lette deres utvikling på forskjellige felt. Dette arbeidet vil ytterligere berike den fysiske implikasjonen av BIC og utvide perspektivet til metamaterialer og terahertz-fotonikk. Teamet publiserte funnene sine i Opto-elektronisk vitenskap ("Hybridbundne tilstander i kontinuumet i terahertz-metaoverflater").

Tidstempel:

Mer fra Nanowerk