JPhysD编辑优选：窄带的四偶极表面晶格共振及其能带反转现象
本篇研究来自中国科学院深圳先进技术研究院李光元课题组。本文主要介绍了基于纵向金属-电介质-金属（MIM）纳米光栅，在直入射条件下获得了窄带（线宽仅有0.8 nm）的四偶极等离激元表面晶格共振（SLR），并首次在理论上观测到SLR的能带反转现象。通过改变入射角，高Q值SLR的共振波长可在750nm的超宽带近红外范围内连续调节；同时，SLR的线型从Fano型的非对称谷变成峰、谷/峰对，最后变成洛伦兹对称峰。
文章介绍
Xinyu Fang (方心宇), Lei Xiong (熊磊), Jianping Shi (石建平), Hongwei Ding (丁洪伟) and Guangyuan Li (李光元)
通讯作者：
- 李光元，中国科学院深圳先进技术研究院
针对图1(a)所示的横向MIM纳米光栅结构，研究发现在直入射条件下，其反射谱（或透射谱）在近红外波段存在一个超窄的Fano线型的谷（或峰），如图1(b)所示，算得其Q值高达1224。如图1(c)所示，当四偶极SLR被激励时，近场电场在很大的范围内被极大增强，最大的电场增强系数高达210，而且上下金柱中均被激励出四偶极子。
图1(a)横向MIM纳米光栅在直入射条件下激励出四偶极SLR的示意图。(b)零阶的反射和透射光谱。(c)共振时的近场电场分布。
当入射角从0°增大到50°时，四偶极SLR的共振波长沿着-1阶瑞利异常（RA）线连续可调，可调范围宽达756nm，几乎覆盖了整个近红外波段；同时其Q值从1224近乎指数衰减至150，如图2所示。这意味着可在超宽带范围内调节的四偶极SLR能够保持很高的Q值（作为对比，局域等离激元共振的Q值仅为10~20）。
图2. (a)不同入射角时的零阶反射谱。(b)共振波长靠近-1阶RA线。(c)仿真所得Q值。
图2(a)还表明，可以在理论上首次观测到SLR的能带反转现象：其反射谱从Fano线型的谷逐渐演化成为峰。具体地，当入射角度为0°-5°时，共振线型为非对称的Fano型谷；10°-15°时，为Fano型峰；25°时，为对称的洛伦兹线型峰；更大的入射角度时，为准洛伦兹线型峰，如图3所示。共振线型的演化可以用Fano参数q来评估其非对称程度。因此，通过改变入射角度，基于纵向MIM纳米光栅可以实现洛伦兹线型和Fano线型的共振，也可以调节RA和局域等离激元共振之间的相干性。
图3. 四偶极SLR共振线型随着入射角度的演化，实线为仿真获得的反射谱，虚线是采用图中标注的Fano参数q拟合而得的反射谱。
研究背景：
表面晶格共振（SLR）具有窄线宽、高品质因子（Q值）、大范围内电场极大增强以及共振波长可调节等优点，在纳米激光、非线性光学、强耦合和光传感等微纳米尺度上的光与物质相互作用领域有着诱人的应用前景。为了获得更高的Q值，近年来四偶极SLR受到了人们的广泛关注。然而，文献在直入射条件下报道的四偶极SLR共振伴随着一个强共振的偶极SLR背景，本身的共振较弱，且Q值并不理想。最近，作者基于横向MIM纳米光栅结构在斜入射条件下实现了无偶极SLR背景的窄带四偶极SLR，在近红外波段获得了1036的高Q值。由于直入射在实验上更为便捷，因此，本文要解决的问题是：在直入射条件下，能否实现无偶极SLR背景的高Q值四偶极SLR。
作者介绍
李光元 副研究员
中国科学院深圳先进技术研究院
- 李光元，中科院深圳先进技术研究院副研究员，博士生导师。2009年毕业于北京大学电子学系获博士学位。先后在北京大学、南洋理工大学、悉尼大学从事博士后研究工作。曾获得北京大学优秀博士后称号，入选中国光学工程学会高级会员和美国光学学会（Optica）高级会员。主要研究方向为：超高Q值及动态可调的超构表面光子元器件。
期刊介绍
Journal of Physics D: Applied Physics
- 2021年影响因子：3.409 Citescore：5.7
Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。