Efek Kopling Polariton Plasmon Permukaan dan Resonansi Dipol Magnet pada Metamaterial
Abstrak
Kami secara numerik menyelidiki efek kopling dari polariton plasmon permukaan (SPPs) dan resonansi dipol magnetik (MD) dalam metamaterial, yang terdiri dari array nanodisk Ag dan SiO2 spacer pada substrat Ag. Periodisitas array nanodisk Ag mengarah pada eksitasi SPP pada permukaan substrat Ag. Interaksi plasmon medan dekat antara nanodisk Ag individu dan substrat Ag membentuk resonansi MD. Ketika panjang gelombang eksitasi SPP disetel untuk mendekati posisi resonansi MD dengan mengubah periode array nanodisk Ag, resonansi SPP dan MD digabungkan bersama menjadi dua mode hibridisasi, yang posisinya dapat diprediksi dengan baik oleh model kopling dua osilator. Dalam rezim kopling yang kuat dari resonansi SPP dan MD, mode hibridisasi menunjukkan anti-persilangan yang jelas, menghasilkan fenomena pemisahan Rabi yang menarik. Selain itu, medan magnet di bawah nanodisk Ag sangat ditingkatkan, yang mungkin menemukan beberapa aplikasi potensial, seperti nonlinier magnetik.
Latar Belakang
Telah diketahui dengan baik bahwa bahan yang terbentuk secara alami menunjukkan kejenuhan respons magnetik di luar rezim THz. Dalam interaksi materi cahaya pada frekuensi optik, komponen magnetik cahaya umumnya memainkan peran yang dapat diabaikan, karena gaya yang diberikan oleh medan listrik pada muatan jauh lebih besar daripada gaya yang diterapkan oleh medan magnet, ketika cahaya berinteraksi dengan materi [1 ]. Dalam beberapa tahun terakhir, mengembangkan berbagai struktur nano logam atau dielektrik dengan respons magnetik yang cukup besar pada frekuensi optik telah menjadi bahan studi intensif di bidang metamaterial. Baru-baru ini, ada peningkatan minat dalam karakterisasi medan magnet optik dalam skala nano, meskipun tetap menjadi tantangan karena interaksi medan magnet materi-optik yang lemah [2]. Pada saat yang sama, juga telah banyak upaya untuk mendapatkan respons magnet yang kuat dengan peningkatan medan magnet dalam rentang spektrum yang luas dari tampak [3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14,15,16,17,18,19,20,21,22] ke inframerah [23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37 ,38,39,40,41,42,43,44] rezim. Mekanisme fisik yang menggarisbawahi respons magnet yang kuat terutama eksitasi resonansi MD dalam berbagai struktur nano termasuk struktur sandwich metal-insulator-metal (MIM) [3, 12, 16, 31, 32, 40], resonator cincin-terpisah logam [ 29, 30, 36, 41, 42], nanopartikel dielektrik indeks bias tinggi [14, 15, 17, 18, 20, 21], plasmonic nanoantennas [6, 8, 24,25,26, 28, 34, 37 , 43], metamolekul [7, 9, 11, 13, 19, 33, 35, 38], dan seterusnya. Untuk mendapatkan respons magnet yang kuat dengan peningkatan medan magnet, resonansi MD juga digabungkan ke mode resonansi pita sempit yang berbeda dengan faktor kualitas tinggi, misalnya, resonansi kisi permukaan [4, 22, 39, 44], resonansi rongga Fabry-Pérot [ 10, 23], gelombang permukaan Bloch [5], dan plasmon Tamm [27]. Respon magnet yang kuat dengan peningkatan besar medan magnet pada frekuensi optik akan memiliki banyak aplikasi potensial, seperti emisi spontan MD [45,46,47,48,49,50,51,52], nonlinier magnetik [53,54, 55,56], etsa medan magnet yang dikontrol secara optik [57], efek Kerr optik magnetik [58], pinset optik berdasarkan gradien medan magnet [59, 60], pengukuran dichroism melingkar (CD) [61], dll. diketahui bahwa resonansi dipol listrik plasmonik dapat sangat meningkatkan medan listrik di sekitar nanopartikel logam, dan penggabungannya ke SPP dapat lebih meningkatkan medan listrik dan menghasilkan fenomena fisik menarik lainnya. Namun, hanya ada sedikit penelitian tentang efek kopling dari resonansi SPP dan MD.
Dalam karya ini, kami akan secara numerik menunjukkan peningkatan besar medan magnet pada frekuensi optik dan fenomena menarik dari pemisahan Rabi, karena efek kopling resonansi SPP dan MD dalam metamaterial yang terdiri dari array nanodisk Ag dan SiO2 spacer pada substrat Ag. Interaksi plasmon medan dekat antara nanodisk Ag individu dan substrat Ag membentuk resonansi MD. Periodisitas array nanodisk Ag mengarah pada eksitasi SPP pada permukaan substrat Ag. Ketika panjang gelombang eksitasi SPP disetel untuk mendekati posisi resonansi MD dengan mengubah periode array nanodisk Ag, resonansi SPP dan MD digabungkan bersama menjadi dua mode hibridisasi, yang posisinya dapat diprediksi dengan baik oleh model kopling dua osilator. Dalam rezim kopling yang kuat dari resonansi SPP dan MD, mode hibridisasi menunjukkan anti-persilangan yang jelas, menghasilkan fenomena pemisahan Rabi yang menarik. Selain itu, medan magnet di bawah nanodisk Ag sangat ditingkatkan, yang mungkin menemukan beberapa aplikasi potensial, seperti nonlinier magnetik.
Sel satuan dari metamaterial yang dirancang untuk efek kopling resonansi SPP dan MD secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 1. Nanodisk Ag terletak di xy bidang, dan asal koordinat seharusnya terletak di pusat SiO2 pengatur jarak. Cahaya insiden menyebar dalam z . negatif -arah sumbu, dengan medan listrik dan magnet sepanjang x -sumbu dan y -arah sumbu, masing-masing. Spektrum refleksi dan penyerapan dan distribusi medan elektromagnetik dihitung dengan menggunakan paket perangkat lunak komersial "EastFDTD," yang didasarkan pada metode domain waktu perbedaan hingga (FDTD) [62]. Dalam perhitungan numerik kami, indeks bias SiO2 adalah 1,45, dan permitivitas relatif tergantung-frekuensi Ag diambil dari data eksperimen [63]. Karya ini terutama berfokus pada penyelidikan numerik, tetapi metamaterial yang dirancang harus direalisasikan secara eksperimental dengan prosedur berikut:SiO2 spacer pertama kali dilapisi pada substrat Ag melalui penguapan termal, dan kemudian susunan nanodisk Ag dibuat pada SiO2 spacer oleh beberapa teknologi fabrikasi nano canggih, seperti litografi berkas elektron (EBL).
Skema metamaterial yang terdiri dari nanodisk Ag dan SiO2 spacer pada substrat Ag. Parameter geometris:px dan py adalah periode larik di sepanjang x dan y arah, masing-masing; t adalah ketebalan SiO2 pengatur jarak; d dan h adalah diameter dan tinggi nanodisk Ag. Edi , Hdi , dan Kdi adalah medan listrik, medan magnet, dan vektor gelombang dari cahaya datang, yang berada di sepanjang x , y , dan z sumbu, masing-masing
Metode
Gambar 2 menunjukkan spektrum serapan dan refleksi yang dihitung dari serangkaian metamaterial di bawah insiden cahaya normal, dengan periode larik px sepanjang x -arah sumbu meningkat dari 550 menjadi 900 nm dalam langkah 50 nm. Untuk setiap px , dua mode resonansi ditemukan dalam spektrum, yang menghasilkan munculnya dua puncak serapan dan dua penurunan refleksi masing-masing pada Gambar. 2a dan b. Posisi dan lebar pita dari dua mode resonansi sangat bergantung pada periode larik px . Untuk px =900 nm, puncak absorpsi tajam yang tepat hampir mencapai 1. Absorbsi cahaya yang begitu kuat dalam struktur MIM biasanya disebut sebagai absorpsi sempurna [64,65,66]. Selain itu, kami juga telah menyelidiki pengaruh periode larik py sepanjang y -arah sumbu pada sifat optik metamaterial (tidak ditampilkan di sini). Ditemukan bahwa secara bersamaan mengubah py tidak memiliki efek signifikan pada properti optik, kecuali munculnya mode SPP orde tinggi saat keduanya px dan py ditingkatkan menjadi 700 nm. Mode SPP orde tinggi akan memiliki pergeseran merah yang jelas untuk periode array yang akan ditingkatkan lebih lanjut. Pada Gambar. 2, dengan mempertahankan py = 500 nm tidak berubah, hanya mode SPP urutan terendah yang menyebar di x arah sumbu tereksitasi dalam rentang spektral yang diinginkan. Berikut ini, kami akan menunjukkan bahwa dua mode resonansi ini berasal dari kopling kuat antara resonansi SPP dan MD dalam metamaterial yang dirancang.
Penyerapan insiden normal (a ) dan refleksi (b ) spektrum metamaterial secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 1, dalam rentang panjang gelombang dari 550 hingga 1000 nm. Periode larik px sepanjang x -arah sumbu bervariasi dari 550 hingga 900 nm dalam langkah 50 nm. Parameter geometris lainnya:d = 150 nm, h = 50 nm, t = 30 nm, dan py = 500 nm. Untuk kejelasan, spektrum individu dalam a dan b secara vertikal diimbangi oleh 90 dan 60% dari satu sama lain, masing-masing
Untuk mengungkapkan mekanisme fisik dari dua mode resonansi pada Gambar. 2, kami telah mengusulkan model kopling dua osilator untuk secara akurat memprediksi posisi dua mode resonansi untuk periode larik yang berbeda px . Dalam model kopling, salah satu osilator adalah SPP, dan yang lainnya adalah MD. Kopling yang kuat antara SPP dan MD mengarah pada pembentukan dua mode hibridisasi, yaitu, keadaan energi tinggi dan rendah, yang energinya dapat dihitung dengan persamaan [67]:
Di sini, EMD dan ESPP adalah energi eksitasi masing-masing MD dan SPP; dan adalah singkatan dari kekuatan kopling. Pada Gambar. 3, lingkaran hitam terbuka menunjukkan posisi dua mode resonansi untuk periode larik yang berbeda px , dan dua cabang garis merah memberikan hasil yang sesuai yang dihitung oleh model osilator berpasangan dengan kekuatan kopling = 100 meV. Jelas, model di atas memprediksi dengan baik posisi dua mode resonansi. Hal ini menunjukkan bahwa kemunculan dua mode resonansi pada Gambar. 2 adalah hasil interaksi SPP dan MD dalam metamaterial.
Lingkaran hitam terbuka menunjukkan posisi puncak absorpsi atau penurunan refleksi pada Gambar. 2, dan dua garis lengkung merah memberikan posisi yang sesuai yang diprediksi oleh model kopling mode SPP dan MD. Panjang gelombang resonansi SPP (garis diagonal hitam) dan mode MD (garis hijau horizontal) juga disajikan
Garis diagonal hitam pada Gambar. 3 memberikan panjang gelombang eksitasi SPP untuk periode larik yang berbeda px , yang dihitung dengan mencocokkan vektor timbal balik dari kisi nanodisk Ag dengan momentum SPPs di bawah kejadian normal [68]. Garis hijau horizontal pada Gambar. 3 menunjukkan posisi mode MD, yang panjang gelombang resonansinya terutama ditentukan oleh ukuran nanodisk Ag dan ketebalan SiO2 spacer, tetapi tidak bergantung pada periode larik. Di persimpangan dua garis untuk px = 750 nm, SPP dan MD tumpang tindih dalam posisi, yang digabungkan dengan kuat. Oleh karena itu, posisi dua mode resonansi pada Gambar 2 menunjukkan anti-crossing yang jelas, sehingga membentuk fenomena pemisahan Rabi yang menarik [67]. Jauh dari rezim kopling yang kuat, posisi dua mode resonansi mengikuti kira-kira salah satu dari dua garis.
Selain pemisahan Rabi, efek lain dari kopling kuat antara SPP dan MD adalah peningkatan medan magnet. Untuk menunjukkan efek ini, pada Gambar. 4, pertama-tama kita memplot distribusi medan elektromagnetik pada panjang gelombang resonansi λ1 dan λ2 berlabel pada Gambar. 3 untuk px = 550 nm. Dalam hal ini, posisi SPP dan MD jauh, dan sambungannya lemah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Pada panjang gelombang resonansi λ1 , medan listrik sangat terbatas di dekat tepi nanodisk Ag dan memiliki dua “hotspot” medan di sisi kiri dan kanan memanjang ke SiO2 spacer (lihat Gbr. 4a). Medan magnet terkonsentrasi di dalam SiO2 spacer dan memiliki maksimum di bawah nanodisk Ag (lihat Gbr. 4b). Sifat distribusi medan elektromagnetik seperti itu terutama merupakan karakteristik khas dari resonansi MD [69,70,71]. Pada panjang gelombang resonansi λ2 , pita medan elektromagnetik paralel yang membentang di sepanjang y arah sumbu -terbentuk, meskipun mereka terganggu di dekat nanodisk Ag (lihat Gambar 4c dan d). Faktanya, distribusi medan elektromagnetik seperti itu terutama berhubungan dengan eksitasi SPP [68].
a –d Intensitas medan listrik yang dinormalisasi (E /Edi )
2
dan intensitas medan magnet (H /Hdi )
2
di xoz bidang melintasi pusat SiO2 spacer pada panjang gelombang resonansi 1 dan 2 berlabel pada Gambar. 3. Panah merah menunjukkan arah medan, dan warna menunjukkan kekuatan medan
Pada Gambar. 5, kami memplot distribusi medan elektromagnetik pada panjang gelombang resonansi λ3 dan λ4 berlabel pada Gambar. 3 untuk px = 700 nm. Dalam hal ini, posisi SPP dan MD berdekatan, dan sambungannya menjadi relatif lebih kuat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Akibatnya, posisi dua mode resonansi bergeser merah dari λ1 dan λ2 untuk λ3 dan λ4 , masing-masing, dan medan elektromagnetik di dekat nanodisk Ag lebih ditingkatkan. Seperti terlihat jelas pada Gambar. 5a dan b, pada panjang gelombang resonansi λ3 , medan listrik dan magnet maksimum ditingkatkan menjadi sekitar 3500 dan 2560 kali dari medan datang, yaitu 1,80 dan 1,82 kali lebih kuat dari nilai yang sesuai pada panjang gelombang resonansi λ1 , masing-masing. Pada Gambar. 5c dan d, medan listrik dan magnet maksimum pada panjang gelombang resonansi λ4 ditingkatkan menjadi sekitar 1650 dan 870 kali dari bidang insiden, yang 6,98 dan 3,53 kali lebih kuat dari nilai yang sesuai pada panjang gelombang resonansi λ2 , masing-masing.
a –d Sama seperti pada Gambar. 4 tetapi pada panjang gelombang resonansi λ3 dan λ4 diberi label pada Gambar. 3
Gambar 6 menunjukkan distribusi medan elektromagnetik pada panjang gelombang resonansi λ5 dan λ6 berlabel pada Gambar. 3 untuk px = 900 nm. Mode campuran di λ5 memiliki bandwidth yang sangat sempit, seperti terlihat jelas pada Gambar 2. Akibatnya, medan elektromagnetiknya sangat meningkat, dengan medan listrik dan magnet maksimum masing-masing melebihi 6500 dan 6100 kali medan datang. Peningkatan besar medan elektromagnetik dapat menemukan aplikasi potensial dalam optik nonlinier dan penginderaan [72, 73]. Pada Gambar. 6b, terdapat tiga pita peningkatan medan yang relatif lemah yang paralel di y -arah sumbu dan hotspot bidang yang diucapkan di tengah. Distribusi lapangan seperti itu secara langsung menunjukkan fitur hibridisasi SPP dan MD. Mode campuran di λ6 memiliki bandwidth yang lebar, yang memiliki lebih banyak komponen MD daripada SPP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c dan d.
a –d Sama seperti pada Gambar. 4 tetapi pada panjang gelombang resonansi λ5 dan λ6 diberi label pada Gambar. 3
Kesimpulan
Dalam karya ini, kami telah menyelidiki secara numerik efek kopling resonansi SPP dan MD dalam metamaterial, yang terdiri dari array nanodisk Ag dan SiO2 spacer pada substrat Ag. Interaksi plasmon medan dekat antara nanodisk Ag individu dan substrat Ag membentuk resonansi MD. Periodisitas dari array nanodisk Ag mengarah pada eksitasi SPP pada permukaan substrat Ag. Ketika panjang gelombang eksitasi SPP disetel agar dekat dengan posisi resonansi MD dengan memvariasikan periode array nanodisk Ag, resonansi SPP dan MD digabungkan bersama menjadi dua mode hibridisasi, yang posisinya dapat diprediksi secara akurat oleh model kopling dua osilator. Dalam rezim kopling yang kuat dari resonansi SPP dan MD, mode hibridisasi menunjukkan anti-persilangan yang jelas dan, dengan demikian, menghasilkan fenomena pemisahan Rabi yang menarik. Pada saat yang sama, medan magnet di bawah nanodisk Ag sangat ditingkatkan, yang mungkin menemukan beberapa aplikasi potensial, seperti nonlinier magnetik.
