Pengabsor Metasurface Chiral Plasmonik Berkinerja Tinggi Menggunakan Nanostruktur Semicircle Terdurai Berlapis untuk Polarisasi Lingkaran Selektif

Abstrak

Dalam tulisan ini, kami menyajikan pengabsor metasurface chiral plasmonik (CMSA) yang mampu mencapai absorpsi selektif tinggi untuk cahaya polarisasi lingkaran kanan dan kiri (RCP, “+”, dan LCP, “−”) pada frekuensi optik. CMSA terdiri dari substrat dielektrik yang disandwit dengan nanostruktur logam semicircle berlapis empat liput yang terurai. CMSA yang diusulkan memiliki pita absorpsi selektif yang kuat, di mana puncak absorpsi untuk cahaya LCP dan RCP terjadi pada frekuensi resonansi yang berbeda, mencerminkan adanya efek dicroisme lingkaran (CD) yang signifikan. Diketahui bahwa absorbansi CMSA dapat mencapai 93,2% untuk cahaya LCP dan 91,6% untuk cahaya RCP, dengan magnitudo CD maksimum hingga 0,85 dan 0,91 di sekitar 288,5 THz dan 404 THz, masing-masing. Mekanisme respons chiroptik kuat CMSA diilustrasikan melalui distribungan medan listrik nanostruktur sel unit. Selain itu, pengaruh geometri CMSA yang diusulkan terhadap karakterisasi absorpsi selektif polarisasi lingkaran dipelajari secara sistematis.

Pendahuluan

Kiralitas, sebagai fenomena yang umum yang merujuk pada properti geometris objek yang tidak memiliki simetri inversi atau cermin, selalu relevan bagi ilmu pengetahuan dan teknologi [1, 2]. Media chiral biasanya muncul dalam dua bentuk enantiomer yang simetris cermin dan tidak dapat dipadukan dengan citra cerminnya melalui translasi atau rotasi sederhana, dan mereka selalu menunjukkan respons yang berbeda terhadap cahaya polarisasi lingkaran kanan dan kiri (RCP, “+”, dan LCP, “−”) [1]. Dicroisme lingkaran (CD) cahaya polarisasi lingkaran (CP) yang berasal dari media chiral adalah salah satu properti chiroptik paling unik. Efek CD merujuk pada respons yang berbeda dari cahaya RCP dan LCP dalam media chiral yang memiliki prospek aplikasi luas dalam biologi, ilmu kedokteran, kimia, serta perangkat optoelektronik terkait polarisasi [3,4,5]. Namun, efek CD dari bahan alami cukup lemah, yang sangat menghambat aplikasi praktisnya. Metasurface, sebagai sub-kelas dari metamaterial yang terdiri dari struktur datar satu atau beberapa lapis, menunjukkan janji yang besar untuk manipulasi gelombang elektromagnetik (EM) atau cahaya sembarang [6,7,8,9,10]. Secara khusus, metasurface chiral (CMS) dapat meningkatkan efek optik chiral hingga beberapa orde magnitudo.

CMS telah mendapat minat besar karena dapat menunjukkan properti 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 gelombang muka [20, 21] dan lain-lain. Sejak saat itu, berbagai struktur CMS (seperti split-ring, kawat spiral, gammadion, berbentuk L, dan lain-lain) telah berturut-turut diusulkan untuk mencapai peningkatan medan selektif chiral yang efisien untuk cahaya LCP atau RCP [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]. Namun, sebagian besar desain CMS sebelumnya berfokus pada performa kiralitas dalam transmisi, sementara perhatian yang lebih sedikit diberikan terhadap refleksi/absorpsi untuk cahaya CP yang sama pentingnya dalam aplikasi rekayasa. Secara umum diketahui bahwa sebagian besar studi pengabsor sebelumnya diterapkan pada cahaya polarisasi linier, sedangkan desain tersebut untuk cahaya CP jarang dipelajari. Faktanya, CMS juga dapat digunakan untuk membangun pengabsor baru untuk cahaya CP [25, 26, 29,30,31,32,33]. Misalnya, Li et al. [25] mengusulkan pengabsor ultra-tipis berdasarkan kawat berbentuk L yang hanya dapat meredam gelombang LCP di wilayah mikrogelombang. Wang et al. [29] menunjukkan bahwa metasermir chiral dapat mencerminkan hampir semua cahaya LCP, sementara sepenuhnya menyerap cahaya RCP di wilayah inframerah. Tang et al. [30] mengusulkan pengabsor dengan resonator berbentuk ŋ yang dapat mencapai absorpsi selektif untuk berbagai cahaya CP pada spektrum terlihat. Kemudian, pengabsor chiral inframerah dekat dengan metasurface plasmonik telah diusulkan dan divalidasi untuk menyerap selektif cahaya LCP atau RCP. Namun, absorbansi sebagian besar CMS kurang dari 90%. Oleh karena itu, desain efektif pengabsor metasurface chiral (CMSA) dengan absorpsi selektif tinggi sangat diinginkan.

Dalam pekerjaan ini, kami menyajikan salah satu jenis CMSA yang sangat efisien berdasarkan nanostruktur semicircle berlapis empat liput yang berfungsi di wilayah inframerah dekat dan terlihat. CMSA tersebut dapat secara selektif mencapai absorpsi lebih dari 90% untuk cahaya CP dengan tangan yang berbeda pada frekuensi resonansi yang berbeda. Karena absorpsi selektif yang kuat dari CMSA yang diusulkan, nilai CD tinggi sekitar 0,9 dapat terwujud sesuai dengan itu. Mekanisme fisika yang mendasari absorpsi selektif untuk berbagai cahaya CP telah dianalisis secara detail melalui distribungan medan listrik. Selain itu, pengaruh parameter geometris sel unit terhadap absorpsi selektif juga telah dipelajari secara sistematis. Dapat dipercaya dengan wajar bahwa hasil pekerjaan ini dapat membimbing desain CMSA dengan absorpsi dan efek CD yang kuat untuk banyak aplikasi praktis seperti pengabsor termal, perangkat komunikasi optik, fotodetektor, filter optik, citra, dan hologram.

Desain Sel Unit

Gambar 1 menyajikan diagram skematis CMSA yang diusulkan, yang terdiri dari array periodik dengan nanostruktur semicircle yang terurai. Nanostruktur semicircle empat liput di setiap sisi substrat dielektrik diposisikan sehingga masing-masing dirotasi 90° terhadap tetangganya, dan sisi bawah setiap nanostruktur semicircle juga dirotasi 90° terhadap yang di atasnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Mirip dengan desain sebelumnya [32], empat nanostruktur semicircle di atas terhubung dengan yang di bawah melalui silinder tembaga, dan radius silinder tembaga sama dengan lebar kawat semicircle, yang dapat meningkatkan kopling konduktif. Nanostruktur semicircle yang terurai dapat dianggap sebagai sistem resonator terkopel, di mana respons chiral kuat timbul dari kopling induktif listrik dan magnetik antara dua semicircle yang terhubung dan terurai [34, 35]. Nanostruktur semicircle sederhana yang terurai dengan simetri cermin ini dirancang pada lapisan atas dan bawah yang memungkinkan CMSA yang diusulkan untuk meningkatkan kiralitas.

Pengabsor Metasurface Chiral Plasmonik Berkinerja Tinggi Menggunakan Nanostruktur Semicircle Terdurai Berlapis untuk Polarisasi Lingkaran Selektif

Sel unit secara keseluruhan dari CMSA yang diusulkan menunjukkan simetri rotasi empat liput (C₄) untuk arah propagasi cahaya. Substrat dielektrik di lapisan tengah terbuat dari MgF₂ bebas kehilangan dengan permitivitas relatif 1,9. Nanostruktur logam chiral dipilih sebagai emas, dan parameter material dapat dijelaskan dengan model Drude [36]. Parameter struktur yang dioptimalkan dari sel unit diberikan sebagai: p_x = p_y = 600 nm, r = 70 nm, w = 40 nm, t_s = 120 nm, t_m = 30 nm. Sel unit CMSA periodik sepanjang arah x- dan y-axis dengan periode 600 nm untuk menghindari difraksi ketika frekuensi cahaya insiden mencapai 500 THz. Untuk memverifikasi efisiensi CMSA yang diusulkan, simulasi EM frekuensi tinggi gelombang penuh dilakukan berdasarkan metode elemen hingga (FEM) dengan menggunakan solver domain frekuensi dalam CST Microwave Studio. Setelah nanostruktur sel unit CMSA, kondisi batas yang tepat, ukuran mesh, dan rentang frekuensi telah diatur secara wajar, simulasi domain frekuensi dapat dijalankan.

Hasil dan Pembahasan

Koefisien transmisi co-polarisasi yang dihasilkan simulasi (t₊₊(ω), t_{− −}(ω)) dan koefisien refleksi (r₊₊(ω), r_{− −}(ω)) untuk cahaya LCP dan RCP insiden normal ditunjukkan pada Gambar 2. Dua mode resonansi plasmonik chiral (mode 1 dan mode 2) dapat diamati secara jelas pada frekuensi f₁ = 288,5 THz dan f₂ = 404 THz, masing-masing. Dapat diamati bahwa koefisien refleksi co-polarisasi r₊₊(ω) untuk RCP dan r_{− −}(ω) untuk LCP adalah sama; dan keduanya kurang dari 0,4 dalam seluruh rentang frekuensi yang dimaksud. Selain itu, magnitudo r₊₊(ω) dan r_{− −}(ω) menurun menjadi sekitar 0,15 pada resonansi, yang menunjukkan kecocokan impedansi antara CMSA dan ruang bebas untuk baik RCP dan LCP. Juga dapat dilihat bahwa koefisien transmisi co-polarisasi t₊₊(ω) untuk RCP dan t_{− −}(ω) untuk LCP berbeda secara signifikan pada resonansi karena sifat chiral dari CMSA yang diusulkan. Di sekitar titik frekuensi lebih rendah f₁, magnitudo t₊₊(ω) untuk cahaya RCP sekitar 0,93, yang jauh lebih tinggi dari t_{− −}(ω) untuk cahaya LCP yang hanya sekitar 0,075. Di sekitar titik frekuensi lebih tinggi f₂, magnitudo t₊₊(ω) untuk cahaya RCP menurun ke nilai minimum 0,018, sementara t_{− −}(ω) untuk LCP mencapai nilai maksimum sekitar 0,92. Ini berarti hanya cahaya RCP insiden yang dapat dipilih untuk melewati CMSA sementara cahaya LCP dilarang pada frekuensi lebih rendah. Seperti pada frekuensi yang lebih tinggi f₂, hanya cahaya LCP insiden yang dapat dipilih untuk melewati CMSA sementara cahaya RCP dilarang secara ekstrim. Dengan demikian, fenomena seleksi chiral CMSA di atas akan menghasilkan absorpsi yang berbeda untuk cahaya RCP dan LCP, yang mengindikasikan adanya absorpsi selektif yang efisien dan efek CD raksasa pada resonansi.

Gambar 2b menunjukkan spektrum absorbansi (A₊(ω), A₋(ω)) untuk baik cahaya LCP dan RCP insiden. Dapat diamati bahwa absorbansi untuk cahaya LCP dan RCP mencapai nilai maksimum sekitar 93,2% dan 91,6%, sementara satu untuk RCP dan LCP menurun menjadi hanya sekitar 8,7% dan 4,8% di sekitar dua resonansi di atas, masing-masing. Secara jelas, dapat disimpulkan bahwa CMSA yang diusulkan menunjukkan absorpsi kuat untuk cahaya LCP dan tingkat transmisi yang cukup tinggi untuk cahaya RCP di sekitar frekuensi lebih rendah f₁, sedangkan kondisi sebaliknya sepenuhnya terjadi ketika frekuensi mencapai frekuensi resonansi yang lebih tinggi f₂. Ini berarti CMSA yang diusulkan menampilkan absorpsi selektif untuk dua cahaya CP dengan tangan tertentu sambil mencerminkan yang satu pada resonansi yang berbeda. Selain itu, juga perlu difokuskan bahwa CMSA memiliki dua pita frekuensi absorpsi kuat hanya menggunakan satu ukuran nanostruktur tunggal chiral, dan cukup unggul dibandingkan dengan pengabsor chiral sebelumnya dengan satu pita absorpsi terisolasi yang adaptasinya terhadap berbagai cahaya CP sangat bergantung pada ukuran geometri yang berbeda [25, 26, 29, 31,32,33]. Dengan demikian, nanostruktur chiral yang dirancang dapat berfungsi sebagai pengabsor cahaya LCP sempurna pada frekuensi lebih rendah dan pengabsor cahaya RCP sempurna pada frekuensi lebih tinggi. Harus diperhatikan bahwa performa absorpsi selektif CMSA yang diusulkan akan menurun seiring dengan peningkatan sudut insiden (insiden tirus), karena resonansi plasmonik multipolar orde lebih tinggi (tidak ditampilkan). Selain itu, dapat disimpulkan bahwa absorpsi selektif chiral yang tinggi untuk cahaya CP akan menghasilkan efek CD raksasa pada CMSA yang diusulkan.

Perbedaan absorpsi atau transmisi antara cahaya LCP dan RCP dapat dikarakterisasi oleh parameter CD Δ. Gambar 3a menyajikan spektrum CD dari CMSA, di mana puncak utama parameter CD sekitar 0,85 dan 0,91 pada dua frekuensi resonansi, masing-masing; yang jauh lebih besar daripada nanostruktur chiral 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 yang kuat dari CMSA, dan oleh karena itu dapat diterapkan sebagai polarizer lingkaran transparan. Untuk menyelidiki lebih lanjut kemurnian CP dari CMSA yang diterapkan sebagai polarizer lingkaran, kami memberikan sudut elipsitas η dan sudut rotasi azimut polarisasi θ seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b. Dapat ditemukan bahwa nilai η sekitar 40,4° dan − 43,9°, sementara nilai θ sekitar 0° pada frekuensi lebih rendah dan lebih tinggi, masing-masing. Ini berarti cahaya yang ditransmisikan menunjukkan karakteristik RCP dan LCP yang menonjol setelah melewati slab CMSA pada dua frekuensi resonansi. Harus diperhatikan bahwa polarizer lingkaran berbasis CMSA dengan kemurnian CP yang lebih tinggi ini berlaku untuk cahaya polarisasi sembarang karena simetri C₄ yang tinggi dari sel unit. Dengan demikian, polarizer lingkaran homogen dapat dengan wajar dipercaya dapat terwujud dengan nanostruktur chiral yang kami desain.

Untuk memahami sepenuhnya absorpsi selektif dan efek CD raksasa dari CMSA, kami mengambil indeks bias Re(n), Re(n₋), Re(n₊) dan parameter chiral Re(κ) menggunakan prosedur pengambilan standar dari koefisien transmisi dan refleksi cahaya CP [43, 44], seperti ditunjukkan pada Gambar 4a, b. Jelas bahwa dua resonansi yang terkait dengan kiralitas yang kuat muncul pada CMSA yang dirancang. Resonansi frekuensi lebih rendah terjadi di sekitar 288,5 THz sementara yang lebih tinggi terletak pada 404 THz, yang konsisten dengan frekuensi karakteristik absorpsi selektif dan puncak CD. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, Re(n) negatif dengan magnitudo maksimum − 2,3 dan − 1,1, dan Re(κ) mencapai magnitudo maksimum 6,4 dan − 5,1 di sekitar dua frekuensi resonansi di atas. Jelas bahwa parameter chiral κ juga berkontribusi pada bias negatif cahaya RCP dan LCP. Kiralitas yang kuat dapat dengan mudah mendorong indeks bias cahaya RCP/LCP untuk menjadi negatif pada resonansi karena hubungan n_± = n ± κ. Dengan demikian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b, Re(n₋) untuk cahaya LCP dan Re(n₊) untuk cahaya RCP negatif dari 286,2 THz hingga 291 THz, dan 400,2 THz hingga 404 THz, masing-masing. Selain itu, Re(n₋) dan Re(n₊) mencapai nilai negatif maksimum − 8,6 dan − 6,3 pada dua resonansi di atas, masing-masing. Ini mengungkapkan bahwa absorpsi selektif tinggi serta efek CD raksasa dari CMSA yang diusulkan terkait dengan properti bias negatif dari cahaya LCP dan RCP.

Untuk mengungkap lebih lanjut asal-usul absorpsi selektif yang terkait dengan efek CD raksasa dari CMSA yang diusulkan, distribungan medan listrik (E_z) sel unit yang dipicu oleh cahaya RCP dan LCP pada 288,5 THz dan 404 THz telah dipelajari. Diketahui bahwa eksitasi resonansi plasmonik permukaan akan menghasilkan medan dipol osilasi karena nanostruktur semicircle memiliki diameter yang kecil dibandingkan panjang gelombang insiden dari berbagai cahaya CP [45,46,47,48]. ketika cahaya RCP atau LCP menyinari nanostruktur semicircle, dapat dipercaya dengan wajar bahwa absorpsi selektif dan efek CD raksasa akan muncul pada CMSA yang diusulkan dan dengan demikian menghasilkan distribungan yang berbeda dari komponen medan listrik dan magnetik di setiap lapisan [48,49,50,51,52,53].

Gambar 5 menunjukkan distribungan medan listrik (E_z) dari CMSA yang diusulkan yang dipicu oleh cahaya RCP dan LCP pada berbagai frekuensi resonansi. Plot detail dari distribungan medan listrik (E_z) pada nanostruktur semicircle secara jelas menunjukkan sifat setiap mode plasmonik permukaan [54]. Wilayah merah dan biru pada nanostruktur semicircle lapisan atas dan bawah menunjukkan acumulasi muatan positif dan negatif di bawah eksitasi cahaya RCP dan LCP. Muatan positif dan negatif dipisahkan dan terutama terakumulasi di sudut setiap nanostruktur semicircle, bertindak seperti osilasi dipol listrik. Dapat diamati bahwa daya dipol listrik jauh lebih kuat daripada yang magnetik pada nanostruktur semicircle yang dirancang, yang mengungkapkan dominasi osilasi dipol listrik. Absorpsi selektif dan efek CD raksasa yang dihasilkan pada resonansi adalah karena perbedaan daya dipol yang jelas di bawah eksitasi LCP dan RCP. Di sini, metode sederhana dengan momen dipol listrik setara telah diterapkan, yang mempertimbangkan getaran muatan dari empat nanostruktur semicircle di setiap lapisan sebagai satu getaran dipol [48,49,50]. Menurut teori Born-Kuhn [47, 48], mode yang dihibridkan dari dua dipol dengan arah medan listrik yang sama disebut mode bonding, sementara yang lain yang dihibridkan dari dua dipol dengan arah 90° atau silang disebut mode antibonding. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a1, b1, di bawah sinaran cahaya RCP pada frekuensi resonansi f₁ = 288,5 THz, medan dipol listrik pada lapisan atas dan bawah menunjukkan arah silang dan membentuk mode antibonding, dan dengan demikian menghasilkan transmisi yang tinggi untuk cahaya RCP menurut model Born-Kuhn. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5c1, d1, di bawah sinaran cahaya LCP, dapat dilihat bahwa distribungan medan listrik CMSA dapat dianggap sebagai hibrid dari mode bonding antara lapisan atas dan bawah, yang terdiri dari dua momen dipol listrik setara dengan arah yang sama, menghasilkan tingkat absorpsi yang tinggi untuk cahaya LCP. Dengan demikian, mode bonding dan antibonding menyebabkan energi resonansi yang berbeda dan transmisi serta absorpsi yang berbeda dari nanostruktur chiral pada frekuensi lebih rendah di bawah sinaran cahaya LCP dan RCP (lihat Gambar 2). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a2, b2, c2, d2, di bawah sinaran cahaya RCP dan LCP pada frekuensi resonansi f₂ = 404 THz, medan dipol listrik pada lapisan atas dan bawah menunjukkan arah yang sama (mode bonding) dan arah silang (mode antibonding), masing-masing, dan dengan demikian menghasilkan tingkat absorpsi yang tinggi untuk cahaya RCP dan transmisi yang tinggi untuk cahaya LCP. Oleh karena itu, dapat dilihat bahwa absorpsi selektif dan efek CD pada dua frekuensi yang berbeda terutama disebabkan oleh mode bonding dan antibonding, yang diinduksi oleh kopling hibrid dari momen dipol listrik lapisan atas dan bawah.

Selanjutnya, kami menyelidiki pengaruh parameter geometris sel unit terhadap properti absorpsi CMSA yang diusulkan. Gambar 6 menunjukkan spektrum absorbansi yang dihasilkan simulasi untuk cahaya LCP dan RCP, dan frekuensi resonansi (f₋, f₊) dengan berbagai parameter geometris (r, w, t_m, dan t_s) dari sel unit. Untuk nanostruktur yang dirancang, beberapa variasi spektrum menarik dari properti absorpsi selektif yang bergantung pada parameter, yang jelas kompetitif dan kompleks multi-faktor, dapat diamati. Dalam studi ini, parameter geometris kelompok kontrol adalah r = 70 nm, w = 40 nm, t_m = 30 nm, dan t_s = 120 nm, dan mengubah satu parameter pada satu waktu.

Nanostruktur semicircle dengan berbagai r (r = 65 nm, 70 nm, 75 nm, dan 80 nm) terlebih dahulu dihitung, sementara parameter lain tetap tetap seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a1, a2. Ketika r ditingkatkan, frekuensi resonansi f₋ untuk LCP dan f₊ untuk RCP menurun secara bertahap, yang dapat diinterpretasikan oleh teori rangkaian resonansi LC setara [55, 56]. Frekuensi resonansi (f₋, f₊) untuk baik cahaya LCP dan RCP dapat dinyatakan sebagai $f_{ \mp } = \frac{1}{{2\pi \sqrt {LC} }}$, di kapasitansi setara C dan induktansi L terutama ditentukan oleh parameter geometris CMSA yang diusulkan. L akan bertambah seiring dengan peningkatan r, sehingga menghasilkan penurunan frekuensi resonansi (f₋, f₊). Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a1, ketika r ditingkatkan, absorbansi cahaya LCP akan menurun secara bertahap sementara absorbansi cahaya RCP akan hampir tidak berubah. Gambar 6b1, b2 menunjukkan spektrum absorbansi dari cahaya LCP dan RCP ketika w diubah dari 30 hingga 45 nm dengan langkah 5 nm, sementara parameter lain tetap konstan. Dapat dilihat bahwa frekuensi resonansi (f₋, f₊) untuk baik cahaya LCP dan RCP akan bertambah secara bertahap seiring dengan peningkatan w. Secara jelas, peningkatan frekuensi resonansi (f₋, f₊) terutama disebabkan oleh penurunan C. Absorbansi cahaya LCP akan terlebih dahulu bertambah lalu menurun sedikit, sementara absorbansi cahaya RCP akan menurun secara bertahap ketika w ditingkatkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b2. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6c1, c2, kami menyajikan spektrum absorbansi dan frekuensi resonansi (f₋, f₊) dari cahaya LCP dan RCP dengan mengubah t_m dari 20 hingga 50 nm dengan langkah 10 nm dan parameter lain tetap. Ada kasus serupa dengan perubahan w, ketika t_m ditingkatkan, frekuensi resonansi (f₋) untuk cahaya LCP bertambah secara signifikan, dan untuk cahaya RCP bertambah sedikit. Dalam kasus ini, L akan berkurang seiring dengan peningkatan t_m, sehingga menghasilkan peningkatan frekuensi resonansi (f₋, f₊). Selain itu, absorbansi baik cahaya LCP dan RCP akan terlebih dahulu bertambah lalu menurun ketika t_m ditingkatkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6c2. Terakhir, kami mengilustrasikan spektrum absorbansi dan frekuensi resonansi (f₋, f₊) untuk baik cahaya LCP dan RCP dengan berbagai t_s (t_s = 110 nm, 120 nm, 130 nm, dan 140 nm), sementara parameter lain tetap konstan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6d1, d2. Dapat diamati bahwa ketika t_s ditingkatkan, absorbansi LCP akan bertambah secara bertahap, sementara absorbansi cahaya RCP akan menurun sedikit, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6d1. Selain itu, frekuensi resonansi (f₋, f₊) untuk baik cahaya LCP dan RCP menurun secara bertahap ketika t_s ditingkatkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6d2. Dalam kasus ini, C akan bertambah ketika t_s ditingkatkan, sehingga menghasilkan penurunan frekuensi resonansi (f₋, f₊). Dapat disimpulkan bahwa frekuensi resonansi (f₋, f₊) dan tingkat absorpsi untuk baik cahaya RCP dan LCP sensitif terhadap parameter geometris sel unit dari nanostruktur chiral yang dirancang. Dengan demikian, properti absorpsi selektif dari CMSA yang diusulkan dapat disesuaikan secara dinamis dengan mengubah parameter struktur.

Kesimpulan

Kesimpulannya, CMSA berdasarkan nanostruktur semicircle berlapis empat liput telah diusulkan untuk mencapai absorpsi selektif chiral yang hampir sempurna untuk cahaya RCP dan LCP serta efek CD raksasa di kedua wilayah inframerah dekat dan terlihat. Hasil simulasi menunjukkan bahwa absorbansi selektif chiral untuk baik cahaya RCP dan LCP lebih dari 90%, dan magnitudo CD dapat mencapai 0,91. Menurut parameter EM efektif yang diambil, dapat ditemukan bahwa absorpsi dan efek CD pada frekuensi lebih rendah keduanya terkait dengan properti bias negatif dari cahaya LCP, sementara kasus pada frekuensi lebih tinggi berkaitan dengan cahaya RCP. Distribungan medan listrik menunjukkan bahwa properti absorpsi selektif chiral dan efek CD raksasa dari CMSA terutama berasal dari mode bonding dan antibonding yang diinduksi oleh kopling hibrid dari momen dipol listrik lapisan atas dan bawah. Selain itu, frekuensi resonansi dan tingkat absorpsi selektif chiral dari CMSA dapat disesuaikan dengan mengubah parameter geometris sel unit. Oleh karena itu, dapat dengan wajar disimpulkan bahwa desain CMSA ini menjanjikan untuk aplikasi masa depan dalam filter optik, citra chiral, polarizer lingkaran, deteksi, dan komunikasi optik.

Metode Numerik

Simulasi FEM: Simulasi EM gelombang penuh telah dilakukan berdasarkan metode elemen hingga (FEM). Dalam simulasi, properti listrik emas dijelaskan oleh model Drude sebagai [36]:

$$\varepsilon_{{{\text{Au}}}} = {1} - \omega_{p}^{{2}} /\omega \left( {\omega + i\gamma } \right)$$ (1)

di mana ω_p = 1.37 × 10¹⁶ rad/s adalah frekuensi plasma dan γ = 8.04 × 10¹³ rad/s adalah frekuensi tabrakan emas pada rentang frekuensi optik. Dalam simulasi, kondisi batas sel unit diterapkan sepanjang arah x- dan y-axis dan dua eigen cahaya CP digunakan secara langsung. Cahaya CP broadband digunakan sebagai sumber eksitasi dan melalui sel unit dari nanostruktur chiral yang dirancang secara normal dari arah − z ke + z. Kemudian, koefisien refleksi dan transmisi baik cahaya LCP dan RCP dapat diperoleh. Secara umum, absorbansi yang dinotasikan sebagai A₋(ω)/A₊(ω) untuk cahaya 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 co-polarisasi t_{− −}(ω) adalah untuk LCP dan t₊₊(ω) untuk RCP, sementara r_{− −}(ω) dan r₊₊(ω) adalah koefisien refleksi co-polarisasi, masing-masing. Harus diperhatikan bahwa koefisien transmisi cross-polarisasi (t₊₋(ω), t₋₊(ω)) dan refleksi (r₊₋(ω), r₋₊(ω)) untuk cahaya LCP dan RCP cukup kecil untuk diabaikan (< 0,01) karena simetri C₄ yang tinggi dari sel unit nanostruktur chiral yang dirancang. Selain itu, efek CD diinduksi oleh absorpsi selektif dari dua cahaya CP, yang dapat dinyatakan sebagai: △ =|t₊₊(ω)| − |t_{− −}(ω)| [14, 29]. Elipsitas dan aktivitas optik adalah parameter penting untuk mengevaluasi kiralitas dari nanostruktur chiral yang dirancang. Elipsitas mengkarakterisasi keadaan polarisasi cahaya yang ditransmisikan dari nanostruktur chiral, yang dijelaskan oleh sudut elipsitas η = arctan[(|t₊₊(ω)| − |t_{− −}(ω)|) / (|t₊₊(ω)| +|t_{− −}(ω)|)]. Sementara aktivitas optik mewakili properti rotasi bidang polarisasi cahaya linier yang ditransmisikan terhadap yang insiden, yang dijelaskan oleh sudut rotasi azimut polarisasi θ = [arg(t₊₊(ω)) − arg(t_{− −}(ω))]/2.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis korespondensi atas permintaan yang wajar.

Singkatan

CMS:: Metasurface Chiral
CMSA:: Pengabsor Metasurface Chiral
RCP:: Polarisasi Lingkaran Kanan
LCP:: Polarisasi Lingkaran Kiri
CD:: Dicroisme Lingkaran
EM:: Elektromagnetik
CP:: Polarisasi Lingkaran

Sensitivitas Cahaya Rendah Ditingkatkan: Fotodetektor Array Nanowire InAsSb dengan Kontak Penghubung Ujung Nanopartikel Fosida Kobal: Elektrokatalis Robust untuk Deteksi Sensitif Peroksida Hidrogen Tanpa Enzim

bahan nano