Сосуществование резонансных мод металла и диэлектрика в единой наноструктуре гиперболического материала
Металлические наноструктуры исключительно эффективно концентрируют свет в крошечных объемах, в то время как диэлектрические наноструктуры превосходно накапливают свет с минимальными потерями энергии. Традиционно для объединения этих взаимодополняющих свойств требовались сложные гибридные структуры, в которых смешиваются два оптических режима, что затрудняло их независимое управление. Поэтому достижение обоих типов резонанса в рамках одной наноструктуры без интерференции мод остается серьезной проблемой в нанофотонике, ограничивающей разработку компактных многофункциональных оптических устройств. Для решения этой задачи учёные разработали наноструктуры с использованием природного гиперболического двумерного материала MoOCl₂, который ведет себя как металл вдоль одного кристаллического направления и как диэлектрик вдоль перпендикулярного направления, что позволяет сосуществовать двум принципиально различным резонансным модам в пределах одной наноструктуры. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.
Рис. На левой панели показана электронная микрофотография нанодисков MoOCl₂, расположенных на подложке, а на схеме в левом нижнем углу показана структура устройства, состоящая из нанодиска MoOCl₂ на отражающей золотой пленке и стеклянной подложке. График справа показывает спектры отражения, измеренные для двух направлений поляризации света. В зависимости от поляризации падающего света одна и та же наноструктура может переключаться между резонансом концентрации света и резонансом захвата света. Автор: профессор Хироаки Мисава, Университет Окаяма.
Исследователи изготовили массивы нанодисков MoOCl₂ на отражающей золотой пленке и изучили их оптическое поведение с помощью спектроскопии, моделирования методом конечных разностей во временной области и фотоэмиссионной электронной микроскопии. Золотая пленка действует как зеркало, которое усиливает локализацию диэлектрической моды, сохраняя при этом плазмонную моду.
Анализ показал, что x-поляризованный свет возбуждает локализованный плазмонный резонанс вдоль металлической оси материала, тогда как y-поляризованный свет избирательно возбуждает диэлектрический магнитный дипольный резонанс вдоль ортогональной диэлектрической оси. Поскольку эти моды возникают из разных направлений кристалла, они остаются негибридными и могут управляться независимо без смешивания мод или перекрестных помех.
Два резонанса также продемонстрировали поразительно разные оптические характеристики. Диэлектрический резонанс показал гораздо более высокий коэффициент качества, достигающий в экспериментах 45,3, что примерно в 5,7 раза больше, чем у плазмонного резонанса.
Путем регулирования геометрии наноструктуры удалось настроить оба резонанса таким образом, чтобы они перекрывались на одной и той же длине волны, сохраняя при этом независимый контроль поляризации.
Фотоэмиссионная электронная микроскопия показала, что диэлектрический резонанс создает почти в 300 раз более сильный фотоэмиссионный сигнал, чем плазмонный режим, что отражает различное расположение горячих точек двух резонансов внутри наноструктуры.
В целом, открытие того, что отдельная наноструктура MoOCl₂ может независимо поддерживать металлические и диэлектрические резонансные моды, создает новую платформу для нанофотонной инженерии. Возможность переключаться между двумя независимыми резонансами простым поворотом поляризации падающего света может упростить проектирование высокоинтегрированных оптических компонентов.
