高品質微腔上納米天線協作相互作用實現單向光源

2020-12-21 科學網

 

近日，荷蘭阿姆斯特丹大學納米光子學中心的Kévin G. Cognée，Hugo M. Doeleman和A. F. Koenderink與法國波爾多大學的Philippe Lalanne合作在《Light: Science & Applications》期刊上發表了題為「Cooperative interactions between nano-antennas in a high-Q cavity for unidirectional light sources」的文章。他們設計並實驗製造了一種高品質因子的等離子體—光子混合模式諧振腔，該混合模式諧振腔是在氮化矽微盤上布置成對的等離子體天線（鋁天線二聚體）實現的。該系統利用諧振腔模式能夠實現諧振偶極—偶極相互作用，通過預測和測量諧振線寬和頻移可以明顯觀察到這種相互作用。同時，他們把「相控陣」天線的物理概念引入到等離子體—光子混合諧振腔中，預測到相比於單個天線，該系統能夠構造出顯著增強的局域態密度，聯繫到向腔內單向注入螢光的意義上來，這種增強是「手性的」。並且實驗結果直接驗證了所預測的偶極天線耦合的協作效應，該效應是天線間距對混合模式品質因數和諧振條件的函數。

研究背景

在微納光子學領域，調控光學諧振腔得到我們想要的品質因子Q和模式體積V具有非常重要的意義，因為它能夠實現腔量子電動力學和非線性光學領域中的對光與物質相互作用的調控。尤其重要的是想要獨立地控制單個光子的場強度，諧振腔的線寬以及諧振耦合的遠場輻射通道。比如，當在控制諧振腔內量子輻射源的自發輻射速率和控制Purcell因子的同時，還要調節腔與輻射源諧振，來確保腔的線寬與輻射源的線寬匹配以及光子的發射在一個高效率的通道上發生。近十年間的研究發現，一方面等離子體能夠實現強局域化，另一方面光學微腔能夠提供很高的品質因子。那麼最近就有研究人員在探索一種等離子體—光子混合諧振腔，它既保持了等離子體成分帶來的深度亞波長的局域效應，又繼承了光學微腔高品質因子的特性。近期就有理論預言了這種雜化混合能夠產生更大的Purcell因子的同時保證了Q值與光學微腔在同一個數量級上，並且模式體積也得到提高。

創新研究

文章中的工作考慮的是多個金屬納米粒子與光學微腔的雜化混合，這種體系具有三個創新點。第一點是它實現了諧振腔中偶極—偶極相互作用導致的協同散射，為量子光學中重要的協同輻射問題提供了一種經典的初級形式。第二點是從天線的角度來看，將相控陣天線的概念引入到雜化混合系統中，不僅實現了對Purcell因子的增強，還對遠場輻射通道進行了分配。第三點是研究雜交混合系統的腔模式，實現了Wiersig觀點中的等離子體實現的第一步，該觀點提出回音壁模式微腔上的介電散射體能夠支持與特殊點(exceptional point)相關的手性本徵模式。

圖1 微盤腔上天線二聚體的等離子體-光子雜化混合結構 (a)掃描電鏡照片，插圖是完整的微盤腔照片；(b)結構的幾何圖形，(c, d)對稱和反對稱混合模式

圖2 預測天線二聚體微盤腔系統的輻射增強和方向性 (a)局域態密度增強是用腔模場分布的方位角周期表示的天線間隔和頻率的函數；(b)輻射進腔的方向性；(c, d)局域態密度增強（黑色虛線）和方向性（橘紅色實線）；(e, f)模擬的強度；(g, h)布置有鋁天線的微盤上表面的電場徑向成分的相位

圖3 天線二聚體微盤腔系統的複本徵頻率 (a)本徵頻率的實部；(b)本徵頻率的虛部，對稱模式（藍色），反對稱模式（紅色）；(c, d, e) 振幅；(f, g, h)相位

圖4 實驗裝置示意圖，使用窄帶寬可調諧二極體雷射器和錐形光纖激勵微盤腔，同時將物鏡收集到的錐型光纖的反射，透射和向外散射記錄到相機或光電二極體上

圖5 天線二聚體微盤腔系統的散射特性和本徵頻率 (a)偶極圖解釋對稱簡併準正規模式的遠場輻射；(b, c)預測對稱和反對稱簡併準正規模式的近似角輻射模式；(d)錐型光纖的透射（紅色）和反射（藍色）的二極體信號；(e)記錄到的輻射圖像；(f)諧振頻率；(g)線寬，對稱模式（藍色），反對稱模式（紅色）

圖6 模式劈裂與天線間距之間的關係 (a)對稱模式與反對稱模式的諧振頻率差；(b)對稱與反對稱模式的線寬之差；(c)很強藍失諧天線的諧振頻率差（藍色）和線寬之差（紅色）；(d)對稱與反對稱模式的獨立線寬；(e)方位角模式數；(f)極坐標表示下的測量值

（來源：科學網 OSANJU 唐磊）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-019-0227-x

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