Plasmonic Kiral Metasurface Absorber Berdasarkan Struktur Nano Bilayer Empat Kali Lipat Setengah Lingkaran pada Frekuensi Optik
Abstrak
Dalam makalah ini, kami menyajikan plasmonic kiral metasurface absorber (CMSA), yang dapat mencapai penyerapan selektif tinggi untuk lampu polarisasi sirkular tangan kanan dan kiri (RCP, “+”, dan LCP, “−”) pada frekuensi optik. CMSA terdiri dari substrat dielektrik yang diapit dengan bi-layer empat kali lipat struktur nano logam setengah lingkaran. CMSA yang diusulkan memiliki pita serapan selektif yang kuat, di mana puncak serapan untuk lampu LCP dan RCP terjadi pada frekuensi resonansi yang berbeda, yang mencerminkan adanya efek dikroisme melingkar (CD) yang signifikan. Terlihat bahwa absorbansi CMSA dapat mencapai 93,2% untuk cahaya LCP dan 91,6% untuk cahaya RCP, dan besarnya CD maksimum masing-masing hingga 0,85 dan 0,91 sekitar 288,5 THz dan 404 THz. Mekanisme respons chiroptical yang kuat dari CMSA diilustrasikan oleh distribusi medan listrik dari struktur nano sel unit. Selanjutnya, pengaruh geometri CMSA yang diusulkan pada karakterisasi penyerapan selektif polarisasi melingkar dipelajari secara sistematis.
Pengantar
Kiralitas, sebagai fenomena di mana-mana yang mengacu pada properti geometris suatu objek yang tidak memiliki inversi atau simetri bidang cermin, selalu tetap relevan untuk sains dan teknologi [1, 2]. Media kiral biasanya muncul dalam dua bentuk enansiomer yaitu cermin simetris dan non-superposable pada bayangan cerminnya dengan translasi atau rotasi sederhana, dan mereka selalu menunjukkan respons yang berbeda terhadap polarisasi sirkular tangan kanan dan tangan kiri (RCP, “+”, dan LCP, “−”) cahaya [1]. Circular dichroism (CD) cahaya polarisasi sirkular (CP) yang berasal dari media kiral adalah salah satu sifat chiroptical yang paling unik. Efek CD mengacu pada respon yang berbeda dari lampu RCP dan LCP di media kiral yang memiliki prospek aplikasi yang luas dalam biologi, ilmu kedokteran, kimia, serta perangkat optoelektronik terkait polarisasi [3,4,5]. Namun, efek CD dari bahan alami agak lemah, yang sangat menghambat aplikasi praktisnya. Metasurfaces, sebagai sub-kelas dari metamaterial yang terdiri dari struktur planar monolayer atau beberapa lapis, sangat menjanjikan untuk manipulasi gelombang elektromagnetik (EM) atau cahaya [6,7,8,9,10]. Secara khusus, kiral metasurface (CMS) mampu meningkatkan efek optik kiral beberapa kali lipat.
CMS telah menerima minat yang luar biasa karena dapat menunjukkan sifat EM eksotis termasuk indeks bias negatif dan aktivitas optik [11, 12], transmisi asimetris [13, 14], efek CD raksasa [15,16,17], konversi polarisasi [18, 19], dan manipulasi muka gelombang [20, 21] dll. Sejak itu, berbagai struktur CMS (seperti split-ring, spiral wire, gammadion, L-shaped dan sebagainya) telah diusulkan secara berturut-turut untuk mencapai kiral yang sangat efisien. peningkatan medan selektif untuk cahaya LCP atau RCP [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]. Namun, sebagian besar desain sebelumnya dari CMS tersebut berfokus pada kinerja kiralitas dalam transmisi, sementara perhatian yang jauh lebih sedikit diberikan pada pantulan/penyerapan untuk lampu CP yang sama pentingnya dalam aplikasi teknik. Telah diketahui dengan baik bahwa sebagian besar studi tentang peredam sebelumnya diterapkan pada cahaya polarisasi linier, sedangkan desain seperti itu untuk lampu CP jarang dipelajari. Bahkan, CMS juga dapat digunakan untuk membangun peredam baru untuk lampu CP [25, 26, 29,30,31,32,33]. Misalnya, Li et al. [25] mengusulkan penyerap ultra-tipis berdasarkan kabel berbentuk L, yang hanya dapat melemahkan gelombang LCP di wilayah gelombang mikro. Wang dkk. [29] menunjukkan bahwa metamirror kiral hampir dapat mencerminkan semua cahaya LCP, sementara benar-benar menyerap cahaya RCP di wilayah inframerah. Tang dkk. [30] mengusulkan penyerap dengan resonator berbentuk , yang dapat mencapai penyerapan selektif untuk lampu CP yang berbeda dalam cahaya tampak. Kemudian, peredam kiral inframerah-dekat dengan metasurface plasmonic telah diusulkan dan didemonstrasikan untuk menyerap cahaya LCP atau RCP secara selektif. Namun, absorbansi sebagian besar CMS kurang dari 90%. Dengan demikian, desain yang efektif dari penyerap metasurface kiral (CMSA) dengan penyerapan selektif tinggi sangat diinginkan.
Dalam karya ini, kami menyajikan satu jenis CMSA yang sangat efisien berdasarkan struktur nano setengah lingkaran bengkok empat lapis ganda yang bekerja di daerah inframerah dekat dan tampak. CMSA semacam itu secara selektif dapat mencapai penyerapan lebih dari 90% untuk lampu CP tangan yang berbeda pada frekuensi resonansi yang berbeda. Karena penyerapan selektif yang kuat dari CMSA yang diusulkan, nilai CD yang tinggi sekitar 0,9 dapat direalisasikan. Mekanisme fisik yang mendasari penyerapan selektif untuk lampu CP yang berbeda telah dianalisis secara rinci oleh distribusi medan listrik. Selanjutnya, pengaruh parameter geometrik sel satuan terhadap penyerapan selektif telah dipelajari secara sistematis juga. Dapat dipercaya bahwa hasil dalam pekerjaan ini dapat memandu desain CMSA dengan penyerapan kuat dan efek CD untuk banyak aplikasi praktis seperti penyerap termal, perangkat komunikasi optik, fotodetektor, filter optik, pencitraan, dan hologram.
Desain Sel Unit
Gambar 1 menyajikan diagram skema CMSA yang diusulkan, yang dibuat dari susunan periodik dengan struktur nano setengah lingkaran bengkok. Struktur nano setengah lingkaran terpilin empat kali lipat pada setiap sisi substrat dielektrik diposisikan sehingga masing-masing substrat diputar 90° terhadap tetangganya, dan sisi bawah setiap struktur nano setengah lingkaran juga diputar 90° terhadap bagian atas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Mirip dengan desain sebelumnya [32], empat struktur nano setengah lingkaran atas dihubungkan dengan yang bawah oleh silinder tembaga, dan jari-jari silinder tembaga sama dengan lebar kawat setengah lingkaran, yang dapat meningkatkan kopling konduktif. Struktur nano setengah lingkaran bengkok dapat dilihat sebagai sistem resonator yang digabungkan, di mana respons kiral yang kuat muncul dari kopling induktif listrik dan magnet antara dua setengah lingkaran yang terhubung bengkok [34, 35]. Struktur nano setengah lingkaran bengkok sederhana dengan simetri cermin ini dirancang di lapisan atas dan bawah yang memungkinkan CMSA yang diusulkan untuk meningkatkan kiralitas.
Skema CMSA yang dirancang:a larik periodik, b , c tampilan depan dan perspektif dari struktur nano sel satuan. Panjang periodik sepanjang x - dan y- arah sumbu keduanya 600 nm, dan lampu CP insiden normal merambat sepanjang z -arah sumbu
Sel unit keseluruhan dari CMSA yang diusulkan menunjukkan rotasi empat kali lipat (C4 ) simetri untuk arah rambat cahaya. Substrat dielektrik di lapisan tengah terbuat dari MgF dielektrik bebas-rugi2 dengan permitivitas relatif 1,9. Struktur nano logam kiral dipilih sebagai emas, dan parameter material dapat dijelaskan dengan model Drude [36]. Parameter struktur yang dioptimalkan dari sel satuan diberikan sebagai:px = py = 600 nm, r = 70 nm, dengan = 40 nm, ts = 120 nm, tm =30nm. Sel satuan CMSA periodik sepanjang x- dan y arah sumbu dengan periode 600 nm untuk menghindari difraksi ketika frekuensi cahaya datang hingga 500 THz. Untuk memverifikasi efisiensi CMSA yang diusulkan, simulasi EM frekuensi tinggi gelombang penuh dilakukan berdasarkan metode elemen hingga (FEM) dengan menggunakan pemecah domain frekuensi di CST Microwave Studio. Setelah struktur nano sel unit CMSA, kondisi batas yang tepat, ukuran mesh, dan rentang frekuensi telah ditetapkan secara wajar, simulasi domain frekuensi dapat diluncurkan.
Hasil dan Diskusi
Koefisien transmisi kopolarisasi yang disimulasikan (t++ (ω), t− − (ω)) dan koefisien refleksi (r++ (ω), r− − (ω)) untuk insiden normal lampu LCP dan RCP disajikan pada Gambar. 2. Dua mode resonansi plasmonik kiral (mode 1 dan mode 2) dapat diamati dengan jelas pada frekuensi f1 = 288.5 THz dan f2 = 404 THz, masing-masing. Dapat diamati bahwa koefisien refleksi kopolarisasi r++ (ω) untuk RCP dan r− − (ω) untuk lampu LCP adalah sama; dan keduanya kurang dari 0,4 di seluruh rentang frekuensi yang tertarik. Selain itu, besarnya r++ (ω) dan r− − (ω) menurun menjadi sekitar 0,15 pada resonansi, menunjukkan pencocokan impedansi antara CMSA dan ruang kosong untuk lampu RCP dan LCP. Dapat juga dilihat bahwa koefisien transmisi kopolarisasi t++ (ω) untuk RCP dan t− − (ω) untuk lampu LCP berbeda secara signifikan pada resonansi karena sifat kiral dari CMSA yang diusulkan. Di sekitar titik frekuensi yang lebih rendah f1 , besarnya t++ (ω) untuk lampu RCP sekitar 0,93, yang jauh lebih tinggi dari t− − (ω) untuk lampu LCP yaitu sekitar 0,075 saja. Di sekitar titik frekuensi yang lebih tinggi f2 , besarnya t++ (ω) untuk lampu RCP berkurang hingga nilai minimal 0,018, sedangkan t− − (ω) untuk LCP sampai dengan nilai maksimal sekitar 0,92. Ini berarti bahwa hanya lampu RCP insiden yang dapat dipilih untuk melewati CMSA sedangkan lampu LCP dilarang pada frekuensi yang lebih rendah. Seperti pada frekuensi yang lebih tinggi f2 , hanya lampu LCP insiden yang dapat dipilih untuk melewati CMSA sedangkan lampu RCP sangat dilarang. Dengan demikian, fenomena seleksi kiral dari CMSA di atas akibatnya akan menghasilkan penyerapan yang berbeda untuk lampu RCP dan LCP, yang menyiratkan adanya penyerapan selektif efisiensi tinggi dan efek CD raksasa pada resonansi.
a Koefisien transmisi kopolarisasi simulasi (t++ (ω), t− − (ω)) dan koefisien refleksi (r++ (ω), r− − (ω)) dari CMSA yang diusulkan untuk lampu LCP dan RCP insiden normal, b absorbansi yang sesuai (A+ (ω), A− (ω)) untuk lampu LCP dan RCP
Gambar 2b menunjukkan spektrum absorbansi (A+ (ω), A− (ω)) untuk kedua lampu LCP dan RCP insiden. Dapat diamati bahwa absorbansi untuk lampu LCP dan RCP mencapai nilai maksimal sekitar 93,2% dan 91,6%, sedangkan untuk lampu RCP dan LCP menurun menjadi hanya sekitar 8,7% dan 4,8% di sekitar dua resonansi di atas, masing-masing. . Jelas, dapat disimpulkan bahwa CMSA yang diusulkan menunjukkan penyerapan cahaya LCP yang kuat dan tingkat transmisi yang agak tinggi untuk cahaya RCP di sekitar frekuensi yang lebih rendah f1 , sedangkan kondisinya benar-benar terbalik ketika frekuensi naik ke frekuensi resonansi yang lebih tinggi f2 . Ini berarti bahwa CMSA yang diusulkan menampilkan penyerapan selektif untuk dua lampu CP dengan tangan tertentu sambil memantulkan yang lain pada resonansi yang berbeda. Selain itu, perlu juga digarisbawahi bahwa CMSA memiliki dua pita frekuensi penyerapan yang kuat hanya dengan menggunakan satu struktur nano kiral ukuran tunggal, dan cukup unggul dibandingkan dengan peredam kiral sebelumnya dengan satu pita serapan terisolasi yang adaptasinya untuk cahaya CP yang berbeda sangat bergantung pada ukuran geometri yang berbeda [25, 26, 29, 31,32,33]. Dengan demikian, struktur nano kiral yang dirancang dapat berfungsi sebagai penyerap cahaya LCP yang sempurna pada frekuensi yang lebih rendah dan penyerap cahaya RCP yang sempurna pada frekuensi yang lebih tinggi. Harus diperhatikan bahwa kinerja penyerapan selektif dari CMSA yang diusulkan akan memburuk dengan meningkatnya sudut datang (insiden miring), karena resonansi plasmon multipolar orde tinggi (tidak ditampilkan). Selanjutnya, dapat disimpulkan bahwa penyerapan selektif kiral yang tinggi untuk lampu CP akan menghasilkan efek CD raksasa dalam CMSA yang diusulkan.
Perbedaan penyerapan atau transmisi antara lampu LCP dan RCP dapat dicirikan oleh parameter CD Δ . Gambar 3a menyajikan spektrum CD dari CMSA, di mana puncak utama parameter CD masing-masing sekitar 0,85 dan 0,91 pada dua frekuensi resonansi; yang jauh lebih besar daripada struktur nano kiral yang dilaporkan [17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32, 37,38,39,40, 41,42]. Efek CD raksasa disebabkan oleh kiralitas CMSA yang kuat, dan oleh karena itu dapat diterapkan sebagai polarizer melingkar transparan. Untuk menyelidiki lebih lanjut kemurnian CP dari CMSA yang diterapkan sebagai polarizer melingkar, kami memberikan sudut eliptisitas η dan sudut rotasi azimuth polarisasi θ seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b. Dapat ditemukan bahwa nilai η adalah sekitar 40,4° dan 43.9°, sedangkan nilai θ adalah sekitar 0 ° pada frekuensi yang lebih rendah dan lebih tinggi, masing-masing. Ini berarti bahwa lampu yang ditransmisikan menunjukkan karakteristik RCP dan LCP yang menonjol setelah melewati pelat CMSA pada dua frekuensi resonansi. Perlu diperhatikan bahwa polarisasi melingkar berbasis CMSA dengan kemurnian CP yang lebih tinggi ini berlaku untuk lampu polarisasi sembarang karena C4-nya yang tinggi. simetri sel satuan. Dengan demikian, polarizer melingkar yang homogen dapat dipercaya dapat direalisasikan dengan struktur nano kiral yang kami rancang.
Parameter optik relatif yang dihitung dari CMSA yang diusulkan untuk lampu LCP dan RCP kejadian normal, a parameter CD Δ , b sudut elips η dan sudut rotasi azimuth polarisasi θ
Untuk memahami sepenuhnya penyerapan selektif dan efek CD raksasa dari CMSA, kami mengambil indeks bias Re(n ), Re(n− ), Re(n+ ) dan parameter kiral Re(κ ) menggunakan prosedur pengambilan standar dari transmisi dan koefisien refleksi lampu CP [43, 44], seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, b. Jelas bahwa dua resonansi yang terkait dengan kiralitas kuat muncul dalam CMSA yang dirancang. Resonansi frekuensi yang lebih rendah terjadi sekitar 288,5 THz sedangkan yang lebih tinggi terletak pada 404 THz, yang konsisten dengan frekuensi karakteristik penyerapan selektif dan puncak CD. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, Re(n ) negatif dengan magnitudo maksimal 2.3 dan 1.1, dan Re(κ ) hingga magnitudo maksimal 6,4 dan 5,1 di sekitar dua frekuensi resonansi di atas. Jelas bahwa parameter kiral κ juga berkontribusi pada pembiasan negatif lampu RCP dan LCP. Kiralitas yang kuat dapat dengan mudah mendorong indeks bias cahaya RCP/LCP menjadi negatif pada resonansi karena hubungan n± = n ± κ . Jadi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, Re(n− ) untuk lampu LCP dan Re(n+ ) untuk cahaya RCP adalah negatif dari 286,2 THz hingga 291 THz, dan 400,2 THz hingga 404 THz. Selain itu, Re(n− ) dan Re(n+ ) masing-masing mencapai nilai negatif maksimal 8.6 dan 6.3 pada dua resonansi di atas. Ini mengungkapkan bahwa penyerapan selektif yang tinggi serta efek CD raksasa dari CMSA yang diusulkan terkait dengan sifat bias negatif dari lampu LCP dan RCP.
Parameter kiral relatif yang diambil dari CMSA yang diusulkan:a bagian nyata dari indeks bias rata-rata Re(n ) dan parameter kiral Re(κ ), b indeks bias Re(n− ), Re(n+ ) untuk lampu LCP dan RCP
Untuk lebih mengungkap asal usul penyerapan selektif yang terkait dengan efek CD raksasa dari CMSA yang diusulkan, medan listrik (Ez ) distribusi sel satuan yang digerakkan oleh lampu RCP dan LCP pada 288,5 THz dan 404 THz telah dipelajari. Telah diketahui bahwa eksitasi resonansi plasmon permukaan akan menghasilkan medan dipol berosilasi karena struktur nano setengah lingkaran menunjukkan diameter kecil dibandingkan dengan panjang gelombang datang dari lampu CP yang berbeda [45,46,47,48]. Ketika cahaya RCP atau LCP menyinari struktur nano setengah lingkaran, dapat dipercaya bahwa penyerapan selektif dan efek CD raksasa akan muncul dalam CMSA yang diusulkan dan akibatnya menghasilkan distribusi yang berbeda dari komponen medan listrik dan medan magnet di setiap lapisan [48 ,49,50,51,52,53].
Gambar 5 menunjukkan medan listrik (Ez ) distribusi CMSA yang diusulkan yang digerakkan oleh lampu RCP dan LCP pada frekuensi resonansi yang berbeda. Plot detail medan listrik (Ez ) distribusi pada struktur nano setengah lingkaran dengan jelas menunjukkan sifat dari setiap mode plasmonik permukaan [54]. Wilayah merah dan biru pada struktur nano setengah lingkaran dari lapisan atas dan bawah menyajikan akumulasi muatan positif dan negatif di bawah eksitasi cahaya RCP dan LCP. Muatan positif dan negatif dipisahkan dan sebagian besar terakumulasi di sudut setiap struktur nano setengah lingkaran, bertindak seperti osilasi dipol listrik. Dapat diamati bahwa daya dipol listrik jauh lebih kuat daripada daya magnet dalam struktur nano setengah lingkaran yang dirancang, menunjukkan dominasi osilasi dipol listrik. Penyerapan selektif dan efek CD raksasa yang dihasilkan pada resonansi adalah karena kekuatan dipol yang jelas berbeda di bawah eksitasi LCP dan RCP. Di sini, metode yang disederhanakan dengan momen dipol listrik ekivalen telah diterapkan, yang menganggap getaran muatan dari empat struktur nano setengah lingkaran di setiap lapisan sebagai satu getaran dipol [48,49,50]. Menurut teori Born-Kuhn [47, 48], mode yang dihibridisasi dari dua dipol dengan arah medan listrik yang sama disebut sebagai mode ikatan, sedangkan yang lain yang dihibridisasi dari dua dipol dengan 90° atau arah silang dilambangkan sebagai mode anti-ikatan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a1, b1, di bawah penerangan cahaya RCP pada frekuensi resonansi f1 = 288.5 THz, medan dipol listrik di lapisan atas dan bawah menunjukkan arah silang dan membentuk mode antiikatan, dan akibatnya menghasilkan transmisi cahaya RCP yang tinggi menurut model Born-Kuhn. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c1, d1, di bawah pencahayaan cahaya LCP, dapat dilihat bahwa distribusi medan listrik CMSA dapat dianggap sebagai hibrida dari mode ikatan antara lapisan atas dan bawah, yang terdiri dari dua listrik setara momen dipol dengan arah yang sama, menghasilkan tingkat penyerapan cahaya LCP yang tinggi. Dengan demikian, mode ikatan dan antiikatan menyebabkan energi resonansi yang berbeda dan transmisi dan penyerapan struktur nano kiral yang berbeda pada frekuensi yang lebih rendah di bawah penerangan lampu LCP dan RCP (lihat Gambar 2). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5a2, b2, c2, d2, di bawah penerangan lampu RCP dan LCP pada frekuensi resonansi f2 = 404 THz, medan dipol listrik di lapisan atas dan bawah menunjukkan arah yang sama (mode ikatan) dan arah silang (mode antiikatan), dan akibatnya menghasilkan tingkat penyerapan yang tinggi untuk cahaya RCP dan transmisi yang tinggi untuk cahaya LCP. Oleh karena itu, dapat dilihat bahwa penyerapan selektif dan efek CD pada dua frekuensi yang berbeda terutama dikaitkan dengan mode ikatan dan antiikatan, yang diinduksi oleh kopling hibrid momen dipol listrik lapisan atas dan bawah.
Medan listrik (Ez ) distribusi sel satuan dari CMSA yang diusulkan yang diinduksi oleh (a1 , b1 , a2 , b2 ) RCP dan (c1 , d1 , c2 , d2 ) LCP menyala pada frekuensi resonansi yang berbeda:(a1 –d1 ) f1 = 288,5 THz, (a2 –d2 ) f2 = 404 THz. Panah garis hitam solid (garis putus-putus) menunjukkan momen dipol listrik yang setara pada lapisan atas (bawah) dari struktur nano kiral yang diusulkan
Berikut ini, kami menyelidiki pengaruh parameter geometris sel satuan pada sifat penyerapan CMSA yang diusulkan. Gambar 6 menunjukkan simulasi spektrum absorbansi untuk lampu LCP dan RCP, dan frekuensi resonansi (f− , f+ ) dengan parameter geometris yang berbeda (r , dengan , tm , dan ts ) dari sel satuan. Untuk struktur nano yang dirancang, beberapa variasi spektral yang menarik dari properti penyerapan selektif yang bergantung pada parameter, yang jelas merupakan multi-faktor yang kompetitif dan kompleks, dapat diamati. Dalam penelitian ini, parameter geometrik dari kelompok kontrol adalah r = 70 nm, dengan = 40 nm, tm = 30 nm, dan ts = 120 nm, dan mengubah satu parameter pada satu waktu.
Simulasi (a1 –d1 ) spektrum serapan dan (a2 –d2 ) frekuensi resonansi (f− , f+ ) dari lampu LCP dan RCP dari CMSA yang diusulkan dengan parameter geometris yang berbeda:(a1 , a2 ) radius (r ), (b1 , b2 ) lebar kawat (w ), dan (c1 , c2 ) ketebalan (tm ) dari struktur nano setengah lingkaran, (d1 , d2 ) ketebalan substrat dielektrik (ts )
Struktur nano setengah lingkaran dengan r . yang berbeda (r = 65 nm, 70 nm, 75 nm, dan 80 nm) dihitung terlebih dahulu, sedangkan parameter lainnya ditetapkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a1, a2. Ketika meningkat r , frekuensi resonansi f− untuk LCP dan f+ untuk lampu RCP berkurang secara bertahap, yang dapat diartikan dengan setara LC teori rangkaian resonansi [55, 56]. Frekuensi resonansi (f− , f+ ) untuk penerangan lampu LCP dan RCP dapat dinyatakan sebagai \(f_{ \mp } =\frac{1}{{2\pi \sqrt {LC} }}\), di mana kapasitansi ekivalen C dan induktansi L terutama ditentukan oleh parameter geometrik dari CMSA yang diusulkan. L akan meningkat dengan meningkatnya r , sehingga mengakibatkan penurunan frekuensi resonansi (f− , f+ ). Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a1, ketika meningkatkan r , absorbansi cahaya LCP akan menurun secara bertahap sedangkan salah satu dari cahaya RCP akan hampir tidak berubah. Gambar 6b1, b2 menunjukkan spektrum absorbansi lampu LCP dan RCP saat mengubah w dari 30 hingga 45 nm dengan langkah 5 nm, sedangkan parameter lainnya tetap tidak berubah. Dapat dilihat bahwa frekuensi resonansi (f− , f+ ) untuk lampu LCP dan RCP akan meningkat secara bertahap dengan peningkatan w . Jelas, peningkatan frekuensi resonansi (f− , f+ ) terutama karena penurunan C . Absorbansi cahaya LCP pertama-tama akan meningkat dan kemudian sedikit menurun, sedangkan salah satu cahaya RCP akan menurun secara bertahap saat meningkat w , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b2. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c1, c2, kami menyajikan spektrum absorbansi dan frekuensi resonansi (f− , f+ ) dari lampu LCP dan RCP dengan t varying yang bervariasi m dari 20 hingga 50 nm dengan langkah 10 nm dan parameter lainnya tetap. Ada kasus serupa dengan perubahan w , ketika meningkat tm , frekuensi resonansi (f− ) untuk lampu LCP meningkat secara signifikan, dan untuk lampu RCP sedikit meningkat. Dalam hal ini, L akan berkurang dengan meningkatnya tm , sehingga menghasilkan peningkatan frekuensi resonansi (f− , f+ ). Selain itu, absorbansi lampu LCP dan RCP pertama-tama akan meningkat dan kemudian menurun ketika tm , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6c2. Akhirnya, kami menggambarkan spektrum absorbansi dan frekuensi resonansi (f− , f+ ) untuk lampu LCP dan RCP dengan t yang berbeda s (ts = 110 nm, 120 nm, 130 nm, dan 140 nm), sedangkan parameter lainnya tetap tidak berubah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d1, d2. Dapat diamati bahwa ketika meningkat ts , absorbansi dari LCP akan meningkat secara bertahap, sedangkan salah satu dari cahaya RCP akan sedikit berkurang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d1. Selain itu, frekuensi resonansi (f− , f+ ) untuk lampu LCP dan RCP berkurang secara bertahap saat meningkat ts , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d2. Dalam hal ini, C akan meningkat saat meningkat ts , sehingga mengakibatkan penurunan frekuensi resonansi (f− , f+ ). Dapat disimpulkan bahwa frekuensi resonansi (f− , f+ ) dan tingkat penyerapan untuk lampu RCP dan LCP sensitif terhadap parameter geometris sel satuan dari struktur nano kiral yang dirancang. Dengan demikian, sifat penyerapan selektif dari CMSA yang diusulkan dapat disesuaikan secara dinamis dengan memvariasikan parameter struktur.
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, CMSA berdasarkan struktur nano setengah lingkaran bengkok empat lapis dua telah diusulkan untuk mencapai penyerapan selektif kiral yang hampir sempurna untuk lampu RCP dan LCP serta efek CD raksasa di daerah inframerah-dekat dan terlihat. Hasil simulasi menunjukkan bahwa absorbansi kiral-selektif untuk lampu RCP dan LCP lebih dari 90%, dan besaran CD dapat mencapai 0,91. Menurut parameter EM efektif yang diperoleh, dapat ditemukan bahwa penyerapan frekuensi yang lebih rendah dan efek CD keduanya terkait dengan sifat refraksi negatif dari cahaya LCP, sedangkan kasus frekuensi yang lebih tinggi berkaitan dengan cahaya RCP. Distribusi medan listrik menunjukkan bahwa sifat penyerapan kiral-selektif dan efek CD raksasa dari CMSA terutama berasal dari mode ikatan dan antiikatan yang diinduksi oleh kopling hibrida dari momen dipol listrik lapisan atas dan bawah. Selanjutnya, frekuensi resonansi dan tingkat penyerapan kiral-selektif dari CMSA dapat disetel dengan mengubah parameter geometrik sel satuan. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa desain CMSA menjanjikan untuk aplikasi masa depan dalam filter optik, pencitraan kiral, polarizer melingkar, pendeteksian, dan komunikasi optik.
Bagian Metode Numerik
Simulasi FEM:Simulasi EM gelombang penuh telah dilakukan berdasarkan metode elemen hingga (FEM). Dalam simulasi, sifat kelistrikan emas dijelaskan oleh model Drude sebagai [36]:
dimana ωp = 1,37 × 10
16
rad/s adalah frekuensi plasma dan γ = 8.04 × 10
13
rad/s adalah frekuensi tumbukan emas pada rentang frekuensi optik. Dalam simulasi, kondisi batas sel satuan diterapkan di sepanjang x - dan y -arah sumbu dan dua lampu CP eigen digunakan secara langsung. Lampu CP pita lebar digunakan sebagai sumber eksitasi dan biasanya melalui sel satuan dari struktur nano kiral yang dirancang dari z untuk + z arah. Kemudian, koefisien refleksi dan transmisi lampu LCP dan RCP dapat diperoleh. Umumnya, absorbansi dilambangkan sebagai A− (ω)/A+ (ω) untuk lampu LCP/RCP dapat dinyatakan sebagai [17, 32]:A− (ω) = 1 − R− − (ω) − T− − (ω) = 1 − |r− − (ω)|
2
|t− − (ω)|
2
, A+ (ω) = 1 − R++ (ω) − T++ (ω) = 1 − |r++ (ω)|
2
|t++ (ω)|
2
, masing-masing. Koefisien transmisi ko-polarisasi t− − (ω) adalah untuk LCP dan t++ (ω) untuk lampu RCP, sedangkan r− − (ω) dan r++ (ω) masing-masing adalah koefisien refleksi kopolarisasi. Perlu diperhatikan bahwa koefisien transmisi polarisasi silang (t+− (ω), t−+ (ω)) dan koefisien refleksi (r+− (ω), r−+ (ω)) untuk lampu LCP dan RCP cukup kecil untuk diabaikan (< 0.01) karena C yang tinggi 4 simetri sel satuan dari struktur nano kiral yang dirancang. Selain itu, efek CD diinduksi oleh penyerapan selektif dua lampu CP, yang dapat dinyatakan sebagai:△ ==t++ (ω)| |t− − (ω)| [14, 29]. Elips dan aktivitas optik merupakan parameter penting untuk mengevaluasi kiral dari struktur nano kiral yang dirancang. Elips mencirikan keadaan polarisasi cahaya yang ditransmisikan dari struktur nano kiral, yang dijelaskan oleh sudut eliptisitas η = arctan[(|t++ (ω)| |t− − (ω)|) / (|t++ (ω)| +|t− − (ω)|)]. Sementara aktivitas optik mewakili properti rotasi bidang polarisasi dari cahaya polarisasi linier yang ditransmisikan sehubungan dengan cahaya datang, yang dijelaskan oleh sudut rotasi azimuth polarisasi θ = [arg(t++ (ω)) arg(t− − (ω))]/2.
Ketersediaan data dan materi
Kumpulan data yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
