Generación y manipulación de factores de alta calidad de resonancia Fano en un resonador de nanorreducción apilando un medio nanoreo

Antecedentes

Los polaritones de plasmón de superficie (SPP) han atraído un gran interés en los últimos años debido a su capacidad para manipular la interacción luz-materia en dimensiones a nanoescala [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Debido al hecho de que los avances en la nanofabricación, la caracterización nanoóptica y las mejoras en el campo electromagnético computacional de campo completo, que han llevado a la aparición del campo de los nanoplásmicos, se han obtenido más conocimientos y control sobre las resonancias de plasmones localizados en nanoestructuras metálicas. . En general, las resonancias de plasmones de nanoestructuras aisladas como discos [7], triángulos [8, 9], varillas [10, 11] y anillos [12, 13] se analizan de forma natural. Como efecto resonante fundamental, las resonancias de Fano que resultan de la interferencia de modos de excitación amplios y estrechos se generan típicamente en las nanoestructuras de anillo-barra [14], grupos de oligómeros plasmónicos [15], ensamblajes no esféricos [16], estructuras basadas en grafeno [17] , puntos cuánticos [18], etc. A pesar de que hay muchos esfuerzos de investigación, la formación de resonancias Fano en longitudes de onda específicas en nanoestructuras plasmónicas es una tarea desafiante debido a su naturaleza compleja correspondiente a la hibridación de los modos disponibles [ 19,20,21]. Además, los efectos de retardo [22, 23] pueden variar según el ángulo de incidencia, lo que permite la existencia de modos multipolares oscuros [24,25,26,27], que recientemente se han explotado en un contexto metamaterial [28,29,30]. ]. Sin embargo, esto es difícil en sistemas donde los modos de orden superior se excitan en el rango espectral de interés [31] o cuando los modos son muy complejos y se extienden espacialmente sobre una gran parte de la nanoestructura [32]. Y las nanoestructuras plasmónicas apenas se han estudiado de forma espacialmente girada en una escala de sublongitud de onda. La información sobre la distribución espacial de nanoestructuras plasmónicas es crucial para desentrañar el mecanismo que conduce a la generación de modos a partir de estructuras plasmónicas. Además, podemos proporcionar una receta de cómo un elemento plasmónico se puede acoplar de manera eficiente al otro componente plasmónico.

En este artículo, demostramos diferentes resonancias de Fano en una nanoestructura apilada compuesta de nanoring individual y medio nanoring. Los resultados numéricos de las simulaciones de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) muestran que el modo de orden par de resonancia Fano está particularmente excitado y controlado por el método de apilamiento bajo incidencia normal en lugar de un método general con incidencia oblicua. Nuestro enfoque proporciona nuevos conocimientos sobre las características espectrales de la resonancia Fano. Las diferentes características espectrales asociadas con múltiples resonancias de Fano corresponden cada una a distintos modos plasmónicos. Sorprendentemente, se lograrán las múltiples resonancias de Fano que involucran los modos de rotación, que se basan en los diferentes ángulos de orientación de la mitad del nanorreado. Dos factores de alta calidad de resonancias Fano con un tiempo de desfase efectivo se logran simultáneamente en el espectro. Estos resultados pueden tener aplicaciones potenciales para nanosensores en circuitos altamente integrados. Además, mostramos cómo la geometría de la estructura determina la resonancia de Fano y luego cómo los modos iniciales existentes se convierten a los diferentes modos de control. Este control, que está asociado con las propiedades de la nanoestructura, es muy importante para aplicaciones prácticas, ya que proporciona una alta flexibilidad de diseño, una capacidad de sintonización notable y robusta y un rendimiento excelente.

Métodos

El sistema concéntrico propuesto compuesto por una nanorientación plateada (Johnson y Christy) apilada por una media nanorización plateada, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 1, se investiga para exhibir diferentes modos radiantes. Aquí, el radio del radio interno de nanoring / half nanoring (R in ) y el radio exterior del anillo (R out ) son 310, 400 nm, respectivamente. Para nuestra plataforma, la cantidad de la hélice manual estructural [33] está determinada por el ángulo θ , que es el ángulo de orientación de la mitad del nanorreo que se desplaza desde el cable del eje (a lo largo de la y -dirección) del sistema concéntrico. Para la estructura, el nanoring y el medio nanoring con el espesor ( t ) se colocan sobre un sustrato en el que el período es p y el índice de refracción se establece en 1. Los parámetros geométricos correspondientes se dan de la siguiente manera: t =40 nm y p =1000 nm. Para realizar nuestros cálculos numéricos por Lumerical FDTD Solutions, los tamaños de cuadrícula en la x y y y z las direcciones se eligen para que sean Δ x =Δ y =Δ z =1 nm [16] y Δ t =Δ x / 2 c ; aquí, c es la velocidad de la luz en el vacío. La iluminación de la onda del plano incidente se toma a lo largo de la z inversa -dirección con la polarización a lo largo de la y -dirección en las simulaciones. Además, el dominio computacional está truncado por capas perfectamente emparejadas (PML) en la z -dirección y el límite del periódico en la x - y y -direcciones.

un Diagrama esquemático del nanoring / half nanoring de plata, los parámetros geométricos son R in =310 nm, R fuera =400 millas náuticas, t =40 nm y p =1000 nm. b La vista superior correspondiente a la celda única de nanoestructura está dispuesta a la derecha. El ángulo de orientación de la media nanorización que se desplaza desde el cable del eje (a lo largo de la y -dirección) del sistema concéntrico es θ

Resultados y discusión

La Figura 2a, c muestra las propiedades ópticas de las nanoestructuras plasmónicas, que se consideran individualmente. Debido a que las nanoestructuras exhibieron solo modos impares de resonancias plasmónicas a una incidencia normal [25], el modo de tercer orden del nanorrenamiento a 1027 nm A se puede excitar bajo la iluminación normal con polarización a lo largo de y -eje, que implica que el modo de resonancia de tercer orden del nanorrenamiento es superradiante. En esta geometría, la forma de la línea de Fano surge del acoplamiento hibridado entre una resonancia de plasmón del disco y una resonancia de plasmón soportada por el corte de anti-punto [34, 35], que puede describirse cualitativamente como el disco de plasmón dipolar asociado con un agujero en forma de disco en una película metálica (estructura del agujero) [36], como se muestra explícitamente en la Fig. 2b. De la Fig. 2b, podemos utilizar claramente el concepto de hibridación de plasmón para explicar el origen de la resonancia Fano de tercer orden donde los modos de plasmón pueden entenderse como enlace (D _B ) o antibanding (D _AB ) combinación de modo del nanodisco (D _D ) y el anti-punto (D _H ) modos de plasmón. Además, el dipolo del modo de primer orden de nanorrección de medio único a 1297 nm B se observa claramente, como se muestra explícitamente en la Fig. 2c.

un Propiedades de transmisión de los espectros de nanoring completo solo. La distribución de z -componente de campo eléctrico en la longitud de onda de 1027 nm denotado por el recuadro A. b Mecanismo de hibridación plasmónica entre los modos dipolares del disco (D _D ) y anti-punto (agujero) (D _H ) estructuras y el diagrama de energía del enlace plasmón degenerado (D _B ) y antienlazante (D _AB ) modos. Los signos "+" y "-" representan las cargas positivas y negativas, respectivamente. c Espectros de transmisión de la mitad única nanoring. La distribución de z -componente de campo eléctrico en la longitud de onda de 1297 nm denotado por el recuadro B

Para dilucidar aún más las características de transmisión de la nanoestructura apilada, también calculamos que la respuesta espectral del sistema apilado es una combinación de los modos de capas individuales, como se muestra en la Fig. 3a. Para compensar completamente el momento dipolar positivo y negativo, no se puede estimular directamente una resonancia de Fano de modo de segundo orden excepto por la vía de una incidencia oblicua [22]. La Figura 3b muestra el modo de tercer orden ( m =3) La Fano resonancia es similar al caso analizado anteriormente en la Fig. 2b. Cuando se investigó la mitad de nanoring que se encuentra en el nanoring, el modo de tercer orden ( m =3) La resonancia de Fano casi permanece invariable. Además de esto, el modo de segundo orden ( m =2) La eficiencia de resonancia de Fano se logró a una longitud de onda de 1160 nm, como se muestra explícitamente en la Fig. 3c. Comparando los modos de resonancia de plasmón superradiante, podemos concluir que la resonancia de Fano surge de la influencia de apilamiento. Y una modificación de las circunstancias en o alrededor de los nanorings afecta al modo resonante [10]:su longitud de onda de resonancia cambiará en comparación con la del nanoring simple o el medio nanoring. El contacto de apilamiento provoca un fuerte desplazamiento hacia el azul del modo fundamental de primer orden, mientras que la forma geométrica del apilamiento nanorre / half nanoring aún permite una excitación eficiente de modos de orden superior. Estos dos modos de primer orden resonantes de plasmón del apilamiento nanorre / half nanoring se desplazan al azul a 1160 nm, lo que da como resultado la existencia de un modo de segundo orden ( m =2) Resonancias de Fano, donde el modo de primer orden de la nanorrección a una longitud de onda relativamente larga se desplaza más que la mitad de la nanorrección. Demostramos que los nuevos modos resonantes de tipo Fano se excitan debido a la hibridación entre el modo de primer orden del nanoring y el medio nanoring. Dado que estos dos modos pueden influirse entre sí, se puede atribuir a la compensación del efecto de retardo durante la interferencia de Fano. Es obvio obtener ese modo de segundo orden ( m =2) La Fano resonancia está gobernada por la pila de la mitad de nanorrenamiento debido a las diferentes distribuciones de transmisión y características de propagación de la nanoestructura. Como se puede observar, por un lado, la existencia del medio nanoring tiene poca influencia sobre el modo de tercer orden ( m =3) Fano resonancia, que conserva las grandes características. Por otro lado, muestra que la mitad de nanoring tiene una influencia positiva en el modo de segundo orden ( m =2) Fano resonancia. Notablemente, el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) de la resonancia de segundo orden es 14 nm, lo que muestra un factor de calidad ( Q -factor) hasta 82,8. Y calculamos el FWHM de la resonancia de tercer orden en la nanoestructura apilada en 9 nm, que se encuentra a 1027 nm de manera efectiva con un factor de alta calidad de 114. Dos factores de alta calidad en el apilado se logran mediante el apilamiento entre sus componentes. elementos, que es mayor que 20 [37], 50 [38] y 62 [10]. Además, el tiempo de desfase del modo resonante inducido puede influir de manera crucial en sus propiedades de resonancia. Calculamos el tiempo de desfase del modo resonante inducido a través de T _r =2 ℏ / Γ _L ( r =2, 3) [39,40,41], donde ℏ es la constante de Planck reducida y Γ _L es el ancho de línea homogéneo de la resonancia Fano. El tiempo de desfase del modo resonante de segundo orden ( m =2) T ₂ se estima en 0,10 ps, ​​y el modo resonante de tercer orden ( m =3) T ₃ se estima en 0,12 ps. Desde las resonancias de Fano, los tiempos de desfase T ₀ se cree que son del orden de 10 fs [41] y, por lo tanto, son demasiado cortos para ser resueltos de manera confiable con los pulsos de láser disponibles. Ambos T ₂ y T ₃ son mayores que los tiempos de desfase de resonancias Fano generales T _0, que se puede realizar fácilmente.

un Los espectros de transmisión del sistema acoplado en la Fig. 1 (indicado por una línea negra) a través del nanorrenamiento de plata medio acoplado con el nanoretrato de plata completo. b , c Distribuciones de z -componente de campo eléctrico en longitudes de onda de 1027 ( m =3) y 1160 nm ( m =2), respectivamente

A continuación, también se estudia la dependencia de la resonancia Fano de los parámetros del sistema. De hecho, como es el caso del resonador plasmónico, se pueden seleccionar las características espectrales de las resonancias cambiando el ángulo de rotación de la hélice de la mano del medio nanorreado. Cuando consideramos la incidencia normal con luz polarizada linealmente a lo largo de y -eje ( θ =0 °), se puede ver que para θ =0 °, solo se excitan los modos de resonancia de segundo y tercer orden, como se muestra en la Fig. 3a. Sin embargo, la Fig. 4a muestra que los espectros de una ligera variación del ángulo de rotación de la hélice de la mano tienen un impacto mucho mayor en las nanoestructuras, observando que la rotación de 5 ° de la mitad del nanorreado conduce a un nuevo modo de resonancia (denominado modo de rotación m = r ). Claramente, cuando la mitad de nanoring se coloca junto con θ =5 ° de rotación, existen tres caídas asimétricas en el espectro. Para identificar los modos de hibridación, graficamos las distribuciones de carga de la superficie correspondientes a las tres caídas en el espectro de hibridación, como se muestra en la Fig. 4b – d. El diagrama de campo eléctrico describe la hibridación de los modos de plasmón soportados por este sistema apilado. Además, uno debería notar que el modo de tercer orden ( m =3) como un modo superradiante bajo tal excitación casi sin cambios a lo largo de y eje de la nanoestructura, mientras que la resonancia Fano de segundo orden ( m =2) es consistente con el mecanismo anterior, identificado como un modo de hibridación de primer orden de medio nanoring y nanoring. En particular, el modo de resonancias de rotación ( m = r ) del nanoring no se puede excitar en una sola configuración debido al efecto de retardo. La caída en los modos de rotación de longitud de onda ( m = r ) también se hibrida entre los modos de resonancia de primer orden del medio nanorreado y el nanoreo. En la situación de rotación, la resonancia Fano muestra la misma distribución de carga con el modo de segundo orden ( m =2), pero con un ángulo de rotación estructural de hélice manual, como se muestra en la distribución de carga de la Fig. 4d. Basado en el modo de segundo orden, el modo de rotación es compatible con un método de rotación y muestra un corrimiento al rojo asimétrico (cambio a una longitud de onda larga). El medio nanoring giratorio tiene una doble función:uno se utiliza como medio nanoring para generar el modo de segundo orden y el otro sirve como medio nanoring giratorio para excitar el modo de rotación. Tenga en cuenta que la resonancia de la caída en el espectro puede fortalecerse o desaparecer, dando como resultado la modulación flexible en los circuitos integrados.

un La respuesta espectral de la nanoestructura de plata con un ángulo cambiante θ =5 ° de la mitad nanoring. Distribuciones de z -componente de campo eléctrico en longitudes de onda de 1027 ( b ), 1160 ( c ) y 1346 nm ( d ), respectivamente

La Figura 5 muestra los espectros de nanoestructura con los mismos diámetros pero con un ángulo de hélice de mano cambiante de la mitad de la nanorización que se desvía de la dirección de la polarización del campo eléctrico. La diferencia de ángulo conduce a la variación del modo resonante de rotación ( m = r ), que está de acuerdo con el análisis de los modos anterior. Cuando la diferencia de ángulo se vuelve muy grande, como en el caso de θ =0 ° a θ =30 °, la forma de la línea del espectro hibridado se vuelve más distintiva. Se puede ver que el modo ( m = r ) no es lo suficientemente dominante ya que la mitad de la nanorización tiene un pequeño momento de rotación debido a su pequeño tamaño de ángulo. Y el modo resonante giratorio se hace evidente aumentando con el ángulo. Por tanto, toda la estructura presenta tres modos. Además, el modo de segundo orden ( m =2) disminuye desde el momento neto a lo largo de y -eje es pequeño, lo que resulta en una interferencia débil insuficiente para un perfil Fano distintivo en el modo de segundo orden ( m =2). A medida que el ángulo de la mitad de la nanorización se hace más grande, la diferencia resonante se vuelve obvia, de modo que la superposición de los dos modos es prominente, lo que hace que el perfil de Fano asimétrico ( m =r ) más distintivo.

La línea azul, verde, roja y de origen presentan los espectros de transmisión de simulación para varios ángulos de rotación a la derecha θ =0 °, 10 °, 20 ° y 30 °, respectivamente, con los otros parámetros iguales a los de la Fig. 1

Es interesante ver que para la nanoestructura compuesta por un nanoring con la misma longitud pero medio nanoring, también se puede excitar una resonancia Fano de modo de segundo orden distintiva (en realidad mucho más nítida), que puede estimular dos Fano de alta calidad al mismo tiempo. tiempo, contribuyendo al desarrollo de circuitos integrados. Esto demuestra además que la forma especial de la nanotecnología los diferencia de los de otros sistemas de nanopartículas. La razón sobre el comportamiento particular de la hibridación de plasmón es que para la mitad de la nanoestructura, donde sus extremos están relativamente acoplados, la fuerte influencia inducirá el modo uniforme de la nanoestructura. Pero a medida que varía el ángulo de la mitad de la nanorización, el modo de rotación ( m = r ) están excitados, lo que posteriormente produce tres perfiles de resonancia Fano. Por supuesto, cuando la mitad de nanoring cambia a otra dirección desde y -dirección del sistema concéntrico (en el caso de θ =0 °, - 10 °, - 20 °, - 30 °), el fenómeno de la nanoestructura es el mismo que en la Fig. 5. Podemos sacar las mismas conclusiones de que una ligera variación del ángulo de rotación tiene mucho más impacto en la nanoring modos resonantes. Existe el nuevo modo de resonancia (modo de rotación m = r ) consistente con las descripciones anteriores.

Conclusiones

En resumen, se ha analizado e investigado una nueva nanoestructura plasmónica de plata que combina resonancias de modo en un sistema híbrido, que consiste en nanorreposiciones apiladas por medio nanorrenamiento, que soportan una resonancia Fano en el rango del infrarrojo cercano del espectro. La nanoestructura exhibe una alta capacidad de sintonización y un control robusto de sus características espectrales con solo unos pocos parámetros estructurales de rotación de la hélice manual. El análisis de la distribución del campo eléctrico reveló que los diferentes modos pueden excitarse para frecuencias específicas. De lo contrario, se logran múltiples resonancias de Fano girando el ángulo de la mitad del nanorrenado y luego los mecanismos se alteran significativamente. La pila de un medio nanoring crea un camino para realizar diferentes modos de resonancia Fano en el sistema resonante plasmónico. Además, las formas de la línea Fano tienen un factor de alta calidad que se puede aplicar fácilmente para nanosensores en circuitos altamente integrados.

Abreviaturas

FDTD:

Dominio del tiempo de diferencia finita

FWHM:

Ancho completo a la mitad del máximo

PML:

Capas perfectamente combinadas

Q -factor:

Factor de calidad

SPP:

Polaritones de plasmón de superficie

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