Menghasilkan dan Memanipulasi Faktor Kualitas Tinggi dari Resonansi Fano di Nanoring Resonator dengan Menumpuk Setengah Nanoring

Hasil dan Diskusi

Gambar 2a, c menunjukkan sifat optik dari struktur nano plasmonik, yang dianggap tunggal. Karena struktur nano hanya menunjukkan mode aneh dari resonansi plasmonik pada kejadian normal [25], mode urutan ketiga dari nanoring pada 1027 nm A dapat tereksitasi di bawah iluminasi normal dengan polarisasi sepanjang y -sumbu, yang menyiratkan mode resonansi orde ketiga dari nanoring adalah superradiant. Dalam geometri ini, bentuk garis Fano muncul dari penggabungan hibridisasi antara resonansi plasmon cakram dan resonansi plasmon yang didukung oleh irisan anti-titik [34, 35], yang secara kualitatif dapat digambarkan sebagai cakram plasmon dipolar yang berasosiasi dengan lubang berbentuk cakram dalam film logam (struktur lubang) [36], seperti yang ditunjukkan secara eksplisit pada Gambar. 2b. Dari Gambar 2b, kita dapat dengan jelas menggunakan konsep hibridisasi plasmon untuk menjelaskan asal mula resonansi Fano orde ketiga di mana mode plasmon dapat dipahami sebagai ikatan (D _B ) atau antibanding (D _AB ) kombinasi mode nanodisk (D _D ) dan anti-titik (D _H ) mode plasmon. Selanjutnya, dipol mode orde pertama setengah nanoring tunggal pada 1297 nm B diamati dengan jelas, seperti yang ditunjukkan secara eksplisit pada Gambar. 2c.

a Sifat transmisi spektrum nanoring lengkap saja. Distribusi z -komponen medan listrik pada panjang gelombang 1027 nm dilambangkan dengan sisipan A. b Mekanisme hibridisasi plasmonik antara mode dipolar disk (D _D ) dan anti-titik (lubang) (D _H ) struktur dan diagram energi ikatan plasmon yang terdegenerasi (D _B ) dan antiikatan (D _AB ) mode. Tanda "+" dan "−" masing-masing mewakili muatan positif dan negatif. c Spektrum transmisi dari setengah nanoring tunggal. Distribusi z -komponen medan listrik pada panjang gelombang 1297 nm dilambangkan dengan inset B

Untuk lebih menjelaskan karakteristik transmisi dari struktur nano yang ditumpuk, kami juga menghitung bahwa respons spektral dari sistem yang ditumpuk adalah kombinasi dari mode lapisan individu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Untuk sepenuhnya mengimbangi momen dipol positif dan negatif, mode orde kedua resonansi Fano tidak dapat dirangsang secara langsung kecuali untuk cara kejadian miring [22]. Gambar 3b menunjukkan mode orde ketiga (m =3) Resonansi Fano mirip dengan kasus yang dianalisis sebelumnya pada Gambar. 2b. Ketika setengah nanoring yang berdiri di atas nanoring diselidiki, mode orde ketiga (m =3) Resonansi Fano hampir tetap invarian. Selain itu, mode orde kedua (m =2) Efisiensi resonansi Fano dicapai pada panjang gelombang 1160 nm, seperti yang ditunjukkan secara eksplisit pada Gambar. 3c. Membandingkan mode resonansi plasmon superradiant, kita dapat menyimpulkan bahwa resonansi Fano muncul dari pengaruh susun. Dan modifikasi keadaan di dalam atau di sekitar nanoring mempengaruhi mode resonansi [10]:panjang gelombang resonansinya akan berubah dibandingkan dengan nanoring tunggal atau setengah nanoring. Kontak susun menyebabkan pergeseran biru yang kuat dari mode orde pertama mendasar, sedangkan bentuk geometris dari nanoring/setengah nanoring susun masih memungkinkan eksitasi yang efisien dari mode orde tinggi. Kedua mode orde pertama resonansi plasmon dari nanoring susun/setengah nanoring digeser biru ke 1160 nm, menghasilkan keberadaan mode orde kedua (m =2) Resonansi Fano, di mana mode orde pertama dari nanoring pada panjang gelombang yang relatif panjang bergeser lebih dari setengah nanoring. Kami menunjukkan bahwa mode resonansi tipe Fano baru bersemangat karena hibridisasi antara mode orde pertama nanoring dan setengah nanoring. Karena kedua mode ini dapat saling mempengaruhi, hal ini dapat dianggap berasal dari kompensasi efek retardasi selama interferensi Fano. Jelas untuk mendapatkan mode orde kedua itu (m =2) Resonansi Fano diatur oleh tumpukan setengah nanoring karena distribusi transmisi dan karakteristik propagasi yang berbeda dari struktur nano. Seperti yang dapat diamati, di satu sisi, keberadaan setengah nanoring memiliki sedikit pengaruh pada mode orde ketiga (m =3) Resonansi Fano, yang mempertahankan karakteristik hebat. Di sisi lain, ini menunjukkan bahwa setengah nanoring memiliki pengaruh positif pada mode orde kedua (m =2) Resonansi Fano. Terlihat jelas, lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) resonansi orde kedua adalah 14 nm, menunjukkan faktor kualitas (Q -faktor) hingga 82,8. Dan kami menghitung FWHM dari resonansi orde ketiga dalam struktur nano bertumpuk menjadi 9 nm, yang terletak pada 1027 nm secara efektif dengan faktor kualitas tinggi 114. Dua faktor kualitas tinggi dalam tumpukan dicapai dengan menumpuk di antara penyusunnya elemen, yang lebih besar dari 20 [37], 50 [38], dan 62 [10]. Selanjutnya, waktu dephasing dari mode resonansi yang diinduksi dapat sangat mempengaruhi sifat-sifat resonansinya. Kami menghitung waktu dephasing dari mode resonansi yang diinduksi melalui T _r =2 ℏ /Γ _L (r =2, 3) [39,40,41], di mana ℏ adalah konstanta Planck tereduksi dan Γ _L adalah lebar garis homogen dari resonansi Fano. Waktu dephasing mode resonansi orde kedua (m =2) B ₂ diperkirakan sebagai 0,10 ps, ​​dan mode resonansi orde ketiga (m =3) B ₃ diperkirakan sebagai 0,12 ps. Sejak resonansi Fano, waktu dephasing T ₀ diyakini berada di urutan 10 fs [41] dan dengan demikian terlalu pendek untuk diselesaikan secara andal dengan pulsa laser yang tersedia. Keduanya T ₂ dan T ₃ lebih besar dari waktu dephasing resonansi Fano umum T _0, yang dapat dengan mudah diwujudkan.

a Spektrum transmisi dari sistem yang digabungkan pada Gambar. 1 (dilambangkan dengan garis hitam) melalui cincin nano setengah perak yang digabungkan dengan cincin nano perak lengkap. b , c Distribusi z -komponen medan listrik pada panjang gelombang 1027 (m =3) dan 1160 nm (m =2), masing-masing

Selanjutnya, ketergantungan resonansi Fano pada parameter sistem juga dipelajari. Memang, seperti halnya resonator plasmonik, seseorang dapat memilih karakteristik spektral resonansi dengan mengubah sudut rotasi heliks tangan dari setengah nanoring. Ketika kita mempertimbangkan kejadian normal dengan cahaya terpolarisasi linier sepanjang y -sumbu (θ =0°), dapat dilihat bahwa untuk θ =0°, hanya mode resonansi orde kedua dan ketiga yang tereksitasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a. Namun, Gambar. 4a menunjukkan spektrum sedikit variasi dari sudut rotasi heliks tangan memiliki lebih banyak dampak pada struktur nano, mengamati bahwa rotasi 5° dari setengah nanoring mengarah ke mode resonansi baru (bernama mode rotasi m =r ). Jelas, ketika setengah nanoring ditempatkan bersama dengan θ =5 ° rotasi, tiga dips asimetris ada spektrum. Untuk mengidentifikasi mode hibridisasi, kami memplot distribusi muatan permukaan yang sesuai dengan tiga penurunan dalam spektrum hibridisasi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b-d. Diagram medan listrik menggambarkan hibridisasi mode plasmon yang didukung oleh sistem bertumpuk ini. Selain itu, orang harus memperhatikan bahwa mode tingkat ketiga (m =3) sebagai mode superradiant di bawah eksitasi seperti itu hampir tidak ada perubahan di sepanjang y -sumbu struktur nano, sedangkan resonansi Fano orde kedua (m =2) konsisten dengan mekanisme di atas, diidentifikasi sebagai mode hibridisasi orde pertama setengah nanoring dan nanoring. Khususnya, mode resonansi rotasi (m =r ) dari nanoring tidak dapat dieksitasi dalam konfigurasi tunggal karena efek retardasi. Penurunan dalam mode rotasi panjang gelombang (m =r ) juga dihibridisasi antara mode orde pertama resonansi dari setengah nanoring dan nanoring. Dalam situasi rotasi, resonansi Fano menunjukkan distribusi muatan yang sama dengan mode orde kedua (m =2), tetapi dengan sudut rotasi heliks tangan struktural, seperti yang ditunjukkan pada distribusi muatan pada Gambar. 4d. Berdasarkan mode orde kedua, mode rotasi didukung dengan metode rotasi dan menunjukkan pergeseran merah asimetris (pergeseran ke panjang gelombang panjang). Setengah nanoring berputar memiliki fungsi ganda yang satu digunakan sebagai setengah nanoring untuk menghasilkan mode orde kedua dan yang lainnya berfungsi sebagai setengah nanoring berputar untuk menggairahkan mode rotasi. Perhatikan bahwa resonansi penurunan spektrum dapat menguat atau menghilang, menghasilkan modulasi fleksibel di sirkuit terpadu.

a Respon spektral struktur nano perak dengan sudut yang berubah θ =5 ° dari setengah nanoring. Distribusi z -komponen medan listrik pada panjang gelombang 1027 (b ), 1160 (c ), dan 1346 nm (d ), masing-masing

Gambar 5 menunjukkan spektrum struktur nano dengan diameter yang sama tetapi dengan sudut heliks tangan berubah dari setengah nanoring menyimpang dari arah polarisasi medan listrik. Perbedaan sudut menyebabkan variasi mode resonansi rotasi (m =r ), yang sesuai dengan analisis mode di atas. Ketika perbedaan sudut menjadi sangat besar, seperti dalam kasus θ =0° hingga θ =30°, bentuk garis spektrum hibridisasi menjadi lebih khas. Dapat dilihat bahwa mode (m =r ) tidak cukup dominan karena half nanoring memiliki momen rotasi yang kecil karena ukuran sudutnya yang kecil. Dan mode resonansi yang berputar menjadi jelas meningkat seiring dengan sudut. Dengan demikian, seluruh struktur menunjukkan tiga mode. Selain itu, mode orde kedua (m =2) menjadi berkurang sejak momen bersih sepanjang y -sumbu kecil, yang menghasilkan interferensi lemah yang tidak mencukupi untuk profil Fano yang berbeda dalam mode orde kedua (m =2). Saat sudut setengah nanoring menjadi lebih besar, perbedaan resonansi menjadi jelas, sehingga tumpang tindih dari dua mode menonjol, membuat profil Fano asimetris (m =r ) lebih khas.

Garis biru, hijau, merah, dan asal menyajikan spektrum transmisi simulasi untuk berbagai sudut rotasi kanan θ =0°, 10°, 20°, dan 30°, masing-masing, dengan parameter lain yang sama seperti Gambar 1

Sangat menarik untuk melihat bahwa untuk struktur nano yang terdiri dari nanoring dengan panjang yang sama tetapi setengah nanoring, mode orde kedua yang khas (sebenarnya jauh lebih tajam) resonansi Fano juga dapat dieksitasi, yang dapat merangsang dua Fano berkualitas tinggi secara bersamaan. waktu, berkontribusi pada pengembangan sirkuit terpadu. Ini lebih lanjut menunjukkan bahwa bentuk khusus dari nanoring berbeda dari yang ada di sistem nanopartikel lainnya. Alasan tentang perilaku khusus hibridisasi plasmon adalah bahwa untuk setengah nanoring di mana ujungnya relatif menempel pada nanoring, di mana pengaruh yang kuat akan menginduksi mode genap dari struktur nano. Tetapi karena sudut setengah nanoring bervariasi, mode rotasi (m =r ) tereksitasi, yang kemudian menghasilkan tiga profil resonansi Fano. Tentu saja, ketika setengah nanoring bergeser ke arah lain dari y -arah sistem konsentris (dalam kasus θ =0°, 10°, 20°, 30°), fenomena struktur nano sama seperti pada Gambar 5. Kita dapat menarik kesimpulan yang sama bahwa sedikit variasi sudut rotasi memiliki dampak yang lebih besar pada mode resonansi nanoring. Ada mode resonansi baru (mode rotasi m =r ) sesuai dengan deskripsi sebelumnya.