Metasuperficies Plasmonicas Híbridas de Acoplamiento en Plano y Fuera de Plano para Actividad Óptica Mejorada

Resumen

Las metasuperficies plasmonicas han atraído gran atención en años recientes por sus prometedoras aplicaciones: conmutación de polarización, mejora del campo eléctrico local (FE), absorción casi perfecta, sensores, dispositivos de luz lenta y nanoantenas. Sin embargo, problemas como velocidades de conmutación solo en gigahercios de interruptores electro-ópticos, bajo factor de calidad (Q) de resonancias plasmonicas y bajo factor de mérito (FOM) en sensores limitan su desarrollo. Además, como nanoantenas, resulta difícil lograr simultáneamente una mejora local del campo eléctrico superior a 100 y absorción casi perfecta superior al 99 %. Aquí, usando métodos de elementos finitos y diferencias finitas en el dominio temporal, presentamos por primera vez una metasuperficie plasmonica ópticamente sintonizable basada en la hibridación de acoplamiento de campo cercano en plano y fuera de plano, que ofrece una buena solución a estos problemas graves y urgentes. Se obtiene un fenómeno de transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) por interferencia destructiva entre dos modos plasmonicos. Al mismo tiempo, se logran picos de absorción perfecta ultraagudos con factor de calidad ultraalto (221,43) alrededor de 1550 nm, lo que permite un FOM ultraalto (214,29) en aplicaciones de sensores. Particularmente, al usar CdO dopado con In, esta metasuperficie se demuestra por primera vez como polarizador reflectivo óptico de femtosegundo en región del infrarrojo cercano, con una relación de extinción de polarización ultraalta. Mientras tanto, operando como nanoantenas, esta metasuperficie alcanza simultáneamente una fuerte mejora local del campo eléctrico (|E_loc|/|E_0| > 100) y una absorción casi perfecta superior al 99,9 % por primera vez, lo que beneficiará una amplia gama de aplicaciones, incluyendo división fotocatalítica de agua y absorción infrarroja mejorada por superficie.

Antecedentes

Las metasuperficies plasmonicas, como versiones bidimensionales de metamateriales, exhiben una amplia gama de fenómenos y aplicaciones prometedoras: conmutación de polarización, rotador de haz, resonancia Fano, nanoantenas, índice de refracción negativo, absorbentes casi perfectos y camuflaje. Especialmente, se ha prestado mucha atención al estudio de fenómenos de transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) y resonancia Fano basados en metasuperficies plasmonicas debido a muchas aplicaciones potenciales como dispersión Raman mejorada por superficie (SERS), absorción infrarroja mejorada por superficie (SEIRA), sensores de índice de refracción y almacenamiento de información cuántica. Los conceptos de EIT y resonancia Fano se descubrieron originalmente en sistemas cuánticos. La EIT se obtiene por interferencia destructiva entre dos modos plasmonicos en sistemas clásicos. Si la EIT se genera cuando un modo plasmonico más estrecho interfiere destructivamente con uno más ancho, el espectro resultante tendrá una forma de línea Fano. Zhang et al. realizaron por primera vez resonancia Fano y EIT en una nanoestructura plasmonica con elementos brillantes y oscuros en un plano. Sin embargo, para la mayoría de metasuperficies plasmonicas basadas en acoplamiento plasmonico en plano operando en región visible o infrarroja cercana (NIR), la fuerza de acoplamiento está determinada por el tamaño preciso de la brecha entre elementos resonantes, pero lograr brechas precisas sub-10 nm sigue siendo un desafío debido a limitaciones de fabricación. Estas nanoestructuras dependen fuertemente de la diminuta distancia inter-partícula, lo que no favorece la producción a gran área. Diferente de las metasuperficies basadas en acoplamiento en plano, Liu et al. demostraron experimentalmente EIT plasmonico usando apilamiento vertical de elementos de metamaterial por primera vez. Posteriormente, se han propuesto y demostrado varios metamateriales (o metasuperficies) basados en diseño planar o vertical de nanoestructuras plasmonicas para lograr fenómenos tipo EIT y resonancias Fano. Amin et al. demostraron una forma de línea espectral Fano asimétrica y una ventana EIT estrecha en la respuesta de un resonador construido con marco de oro y parche de grafeno en un plano. Sin embargo, el factor de calidad de la resonancia Fano en esta estructura metálica es muy bajo debido a pérdidas ópticas en el metal que causan ensanchamiento significativo de resonancias plasmonicas, problema extremadamente común en nanoestructuras plasmonicas que usan metales. Según nuestro conocimiento, los factores Q de la mayoría de resonancias Fano reportadas en región visible y NIR son generalmente inferiores a 10. Recientemente, Dayal et al. demostraron metasuperficies metálicas basadas en modos de galería de susurros logrando alto Q (alcanzando 79) resonancias Fano plasmonicas en frecuencias NIR. Sin embargo, esta resonancia Fano solo se logra en una longitud de onda específica, otro problema común que restringe seriamente el desarrollo y aplicaciones de resonancia Fano o fenómenos EIT. La manipulación activa de resonancia Fano o ventana EIT es altamente deseable para muchas aplicaciones prácticas. Xia et al. diseñaron y demostraron numéricamente un sistema PIT sintonizable compuesto por capas de grafeno curvas sinusoidalmente y planas, que puede evitar cualquier patrón de la lámina de grafeno. En 2017, Yang et al. lograron experimentalmente una resonancia de absorción altamente controlable con alto factor de calidad, demostrada por primera vez como conmutación de polarización óptica de femtosegundo basada en metasuperficie plasmonica en región del infrarrojo medio. También se observó una mejora máxima de campo eléctrico de 41,8. Es deseable emplear nanoantenas plasmonicas que resulten no solo en "puntos calientes" con gran mejora de campo local sino también absorción casi perfecta. Aunque se ha progresado tremendamente en mejorar la mejora de campo eléctrico local y la absorción, lograr simultáneamente fuertes mejoras de campo eléctrico local (|E_loc|/|E_0| > 100) y absorción casi perfecta (> 99 %) sigue siendo un desafío, lo que beneficiaría sensores plasmonicos, división fotocatalítica de agua, SERS y SEIRA. Por otro lado, excepto la conmutación de polarización reportada por Yang et al., la mayoría de dispositivos selectivos de polarización tradicionales, como retardadores y polarizadores basados en efectos electro-ópticos, son estáticos u operan solo a velocidades de conmutación de gigahercios, limitados por la electrónica requerida. Así, para fenómenos o aplicaciones de efecto EIT, resonancia Fano y nanoantenas plasmonicas basadas en metasuperficie plasmonica, la mayoría de trabajos previos suelen sufrir estos problemas graves y urgentes: (i) ensanchamiento de resonancias plasmonicas por grandes pérdidas ópticas en metales; (ii) longitud de onda de operación no ajustable de efecto EIT o resonancias Fano; (iii) desafío de lograr fuerte mejora de campo eléctrico local y absorción casi perfecta simultáneamente; (iv) generalmente solo velocidades de conmutación de gigahercios de dispositivos selectivos de polarización en región visible o NIR.

En este trabajo, usando diferencias finitas en dominio temporal (FDTD) y método de elementos finitos (FEM) respectivamente, proponemos y demostramos numéricamente una metasuperficie plasmonica ópticamente activa basada en la hibridación de acoplamiento en plano y fuera de plano. En este sistema, el efecto tipo EIT puede lograrse rompiendo la simetría de la estructura, y la longitud de onda de operación de las ventanas EIT puede sintonizarse cambiando el índice de refracción de la capa de CdO, que puede controlarse ópticamente ajustando la luz de bombeo. En este espectro de reflexión tipo EIT, se obtiene una resonancia plasmonica de alto factor Q a longitud de onda de 1550 nm, mucho mayor que trabajos previos. Particularmente, debido a la independencia de polarización de la metasuperficie, esta metasuperficie plasmonica usando CdO dopado con In también puede funcionar como conmutador de polarización de femtosegundo para luz polarizada TM a 1550 nm. Al sintonizar la luz de bombeo, desplazamos espectralmente las resonancias plasmonicas, y la metasuperficie logra una gran profundidad de modulación de la reflexión de luz polarizada TM de 0,003 a 60 %, manteniendo reflexión cercana a uno para onda polarizada TE. Según nuestro conocimiento, tal gran profundidad de modulación es mucho mayor que sistemas de conmutación plasmonica reportados previamente. Nótese que el conmutador de polarización de femtosegundo se demuestra numéricamente por primera vez basado en metasuperficie plasmonica mediante hibridación de acoplamiento en plano y fuera de plano. Al mismo tiempo, esta metasuperficie logra absorción casi perfecta superior al 99,9 % y mejora máxima de campo eléctrico de 108 simultáneamente, y la fuerte mejora eléctrica se confina en un área circular de solo 3 nm de diámetro, muy beneficioso para detección de molécula única en muchas espectroscopías mejoradas por superficie. Además, debido a la sensibilidad al cambio de índice de refracción y la resonancia plasmonica ultraaguda, esta metasuperficie también puede funcionar como sensor de índice de refracción de ultraalto factor de mérito (FOM).

Métodos

La metasuperficie propuesta se muestra esquemáticamente en Fig. 1a. La Figura 1b presenta la sección transversal de una celda unitaria con parámetros geométricos, que consiste en dos grupos de barras de oro y una capa de polímero. Cada grupo tiene dos barras de oro separadas por una nanorranura. Un grupo de barras de oro se coloca sobre la capa de polímero, y el otro grupo está incrustado en la capa de polímero. El array asimétrico de nanobarras de oro se dispone periódicamente sobre sustrato de oro grueso con periodicidad P = 1395 nm. La metasuperficie se ilumina con luz incidente normal transversal-magnética (TM) (componente magnético perpendicular a la luz incidente). En este cálculo, para asegurar fiabilidad y precisión, empleamos métodos FDTD y FEM para calcular propiedades ópticas y distribuciones de campo electromagnético, respectivamente. El cálculo FEM se realiza con software comercial COMSOL MULTIPHYSICS. Se aplica condición de frontera periódica en dirección x y capa perfectamente adaptada (PML) en frontera de dirección y. El tamaño de malla es 0,8 nm en direcciones x e y. La permitividad de Au se describe con modelo Drude, y el índice de refracción del polímero es 1,5. El fondo de simulación se asume en aire con n_air = 1. La absorción se da por A = 1 - R, debido a sustrato de Au opaco (T = 0).

a Estructura esquemática de la metasuperficie propuesta. b Sección transversal de la metasuperficie plasmonica con parámetros geométricos.

Resultados y Discusión

Como se muestra en Fig. 2a, calculamos y representamos los espectros de reflexión y absorción de la metasuperficie propuesta alrededor de 1550 nm a incidencia normal bajo luz polarizada TM. En el espectro de absorción, hay dos picos de absorción distintos en 1550 y 1588 nm con eficiencia de absorción casi perfecta superior al 99,9 %, respectivamente. Del espectro de reflexión en Fig. 2b, observamos una respuesta espectral tipo EIT en este rango de longitud de onda, y los mismos resultados de espectros de reflexión se demuestran usando FDTD y FEM respectivamente. El espectro de reflexión bajo polarización TE (componente eléctrico perpendicular al plano de incidencia) también se presenta en Fig. 2b con línea negra, y la reflexión es cercana a uno indicando que no ocurre absorción en esta metasuperficie para polarización TE. La dependencia de polarización se explica fácilmente por el diseño asimétrico. Por tanto, esta metasuperficie acopla eficientemente para polarización TM y permanece oscura para polarización TE.

a Espectros de absorción y reflexión de la metasuperficie plasmonica de Fig. 1. b Espectros de reflexión calculados por FDTD y FEM. c Metasuperficie compuesta por dos barras de oro a diferentes distancias del sustrato de oro. d Espectro de reflexión de la metasuperficie de c.

Para explicar fácilmente el fenómeno tipo EIT de la metasuperficie en Fig. 2a, consideramos inicialmente una metasuperficie relativamente simple sin nanorranura (Fig. 2c), compuesta por dos nanobarras de oro a diferentes distancias del sustrato de oro. El espectro de reflexión de esta metasuperficie sin nanorranura se calcula en Fig. 2d. Claramente, emerge una respuesta espectral tipo EIT con forma de línea asimétrica, posiblemente por efecto de acoplamiento entre las dos barras de oro. Luego, se investiga el proceso de ruptura de simetría (Fig. 3a-c) para clarificar el proceso de formación de la ventana tipo EIT. Las variaciones de los espectros reflectivos al cambiar Δd se calculan en Fig. 3d. Para Δd = 0, solo hay un dip de reflexión alrededor de 1653 nm (Fig. 3e). Al aumentar Δd, aparecen respuesta tipo EIT con dos dips de reflexión (ω_Left y ω_Right). Si se aumenta más Δd, el modo ω_Left se realza, indicando que está muy relacionado con la nanobarra A. Simultáneamente, la longitud de onda de resonancia del modo ω_Left muestra ligero corrimiento al rojo, mientras que ω_Right permanece casi invariable alrededor de 1653 nm. El análisis indica que la generación de fenómenos tipo EIT se atribuye a la asimetría de la nanoestructura. Además, para interpretar la resonancia plasmonica a 1395 nm en espectros de reflexión (Fig. 3d, g), se comparan espectros entre la metasuperficie diseñada y estructura de rejilla metálica (ver inserto Fig. 3g). Para la rejilla metálica, también hay un dip de resonancia a 1395 nm, resultante de excitación de polaritones de plasmones de superficie (SPP) según estudios previos. Así, la resonancia plasmonica a 1395 nm es causada por excitación de SPP.

a–c Proceso de ruptura de simetría de la metasuperficie de Fig. 2c. d Espectros de reflexión con varios Δd en rango 1100–1800 nm. e Espectro con Δd = 0 en 1550–1800 nm. f Espectros con varios Δd en 1550–1800 nm. g Espectros con Δd = 92 nm y estructura totalmente metálica en 1100–1800 nm.

Luego, investigamos los espectros de reflexión de metasuperficies construidas con sistemas de nanobarra acoplados a película con solo nanobarra A y solo nanobarra B (Fig. 4a, b). Al excitar con luz TM incidente por separado, se excita un modo plasmonico más estrecho (ω_A) en la metasuperficie con nanobarra A, y se observa uno más ancho (ω_B) con nanobarra B. Para ilustrar el mecanismo físico detrás de estos dos modos, calculamos distribuciones de campo magnético en estos dos dips de reflexión (Fig. 4c, d). Las flechas rojas presentan corrientes y el mapa de colores la magnitud del campo magnético. Para el modo ω_A (Fig. 4a), el campo magnético se confina en la brecha entre nanobarra A y sustrato de oro; se observan corrientes antiparalelas en interfaces metálicas internas superior e inferior. Por tanto, el modo está asociado principalmente a resonancia magnética por corrientes circulantes, y la energía de luz incidente se disipa por pérdida óhmica del metal, causando el dip de reflexión en modo ω_A. Para el modo ω_B (Fig. 4b), las corrientes circulantes son opuestas a las de ω_A, también excitando resonancia magnética. Para el sistema con ambas nanobarras A y B, el fenómeno en Fig. 5a puede tratarse como doble resonancia Fano con dos dips (ω_Left y ω_Right) por forma de línea asimétrica. Esta forma de línea Fano asimétrica y ventana tipo EIT se obtiene por interferencia destructiva entre el modo plasmonico más estrecho (ω_A) y el más ancho (ω_B). Según nuestro conocimiento, resonancias Fano se observan por primera vez en arrays artificialmente estructurados de resonadores de misma forma con posiciones asimétricas.

a Espectro de reflexión con solo nanobarra A. b Espectro con solo nanobarra B. c Distribuciones de campo magnético H en longitudes de onda resonantes de modo ω_A. d Distribuciones de campo magnético H en longitudes de onda resonantes de modo ω_B. (Espesor de ambas barras 92 nm; ancho 92 nm; espesor polímero 110 nm; período 1395 nm)

a Espectro de reflexión de la metasuperficie de Fig. 2. b, c Distribuciones de campo magnético H en longitudes de onda resonantes de modos ω_Left y ω_Right. d, e Distribuciones de campo eléctrico (|E_loc|/|E_0|) en longitudes de onda resonantes de ω_Left y ω_Right.

Para explorar más el mecanismo detrás de estas dos resonancias plasmonicas (ω_Left y ω_Right) en Fig. 4c, calculamos distribuciones de campo magnético H y campo eléctrico |E_loc|/|E_0| en longitudes de onda de estas resonancias (Fig. 5). Por un lado, según Fig. 5b, c, los campos magnéticos se localizan principalmente en la capa dieléctrica entre nanobarras y sustrato de oro, característica clave del acoplamiento fuera de plano entre barras de oro y sustrato Au. Claramente, se observan diferentes distribuciones para estas dos resonancias excitadas en dos picos de absorción. Para modo ω_Left, el campo magnético se localiza en brecha entre nanobarra A y sustrato, indicando relación con acoplamiento fuera de plano entre nanobarra A y sustrato, similar pero no idéntico al campo magnético de ω_A en Fig. 4c debido a acoplamiento entre ω_A y ω_B. Para ω_Right, el campo magnético se localiza en nanobrecha entre nanobarra B y sustrato; por tanto, ω_Right se debe principalmente a acoplamiento fuera de plano entre nanobarra B y sustrato. Por otro lado, los campos eléctricos se realzan fuertemente y localizan en área ultrapequeña en bordes de barras de oro. Además de fenómenos EIT, esta metasuperficie también actúa como nanoantenas plasmonicas (PNs), confinando luz incidente en región sub-longitud de onda con mejora de campo local, investigación fundamental para sistemas nanofotónicos. Aquí, el factor |E_loc|/|E_0| evalúa el rendimiento de mejora de campo eléctrico local de PNs. Como se muestra en Fig. 5d, e, las mejoras pueden alcanzar 75. Sin embargo, aunque se logran mejoras de campo local usando sistemas de nanobarra acoplados a película, según Fig. 4c, queda considerable trabajo para lograr absorción casi perfecta, resultando en pequeña profundidad de modulación. Investigaciones previas indican que lograr ambas, gran mejora de campo local y absorción casi perfecta, beneficia sensores plasmonicos, división fotocatalítica de agua, SERS y SEIRA. Además, esta estructura muestra ancho de línea relativamente amplio. Como factor Q = λ/FWHM, resonancia más ancha conduce a menor Q. Por tanto, ancho FWHM y pequeña profundidad de modulación pueden obstaculizar aplicaciones como sensores de índice de refracción, conmutación de polarización y ralentización de luz, donde se desea respuesta espectral aguda.

Para realizar simultáneamente gran mejora de campo eléctrico local, absorción casi perfecta y resonancia de alto factor Q, aquí introducimos el concepto de hibridación de acoplamiento plasmonico fuera de plano y en plano. Claramente, comparado con metasuperficie de nanobarra acoplada a película basada en acoplamiento fuera de plano, la propuesta en Fig. 1 tiene propiedades de absorción superiores (Fig. 2). Particularmente, el FWHM de resonancia a 1550 nm es 7 nm, resultando en factor Q = 1550/7 = 221,43, mucho mayor que trabajos previos. Para obtener más insight físico en resonancias Fano de alto Q y absorción perfecta de la metasuperficie original, graficamos distribuciones simuladas de campo magnético y eléctrico en longitudes de onda resonantes 1550 nm (ω_1) y 1588 nm (ω_2) (Fig. 6). Claramente, el campo magnético se localiza principalmente en brecha entre barra de oro y sustrato, y parte se propaga a nanorranura entre dos nanobarras. Diferente del campo eléctrico solo por acoplamiento fuera de plano (Fig. 5d, e), el campo eléctrico de esta metasuperficie también se localiza fuertemente en área ultrapequeña entre dos barras según Fig. 6c, d, lo que significa fuerte acoplamiento de plasmones de superficie localizados (LSP) entre nanobarras. Fig. 6c muestra que la máxima mejora de campo eléctrico en longitud de onda resonante alcanza 108, ~1,4 veces la metasuperficie solo acoplada a película (Fig. 5d), mucho mayor que nanoantenas reportadas. Particularmente, observamos claramente que el "punto caliente" ultrapequeño con fuerte mejora eléctrica se confina en área circular de solo 3 nm de diámetro. Así, estos sistemas de metasuperficie hibridados muestran simultáneamente absorción superior, gran mejora de campo local y pequeña resolución lateral, muy útiles para sondear propiedades precisas de moléculas únicas en espectroscopías mejoradas por superficie, por su capacidad de soportar tanto acoplamiento LSP como fuera de plano.

a, b Distribuciones de campo magnético H en longitudes de onda 1550 y 1588 nm. c, d Distribuciones de campo eléctrico (|E_loc|/|E_0|) en 1550 y 1588 nm.

De los resultados en Fig. 2b, la metasuperficie acopla eficientemente para polarización TM y permanece oscura para TE, por diseño asimétrico, con aplicación potencial en conmutador de polarización. Considerando que el índice de refracción de PVA (polivinil alcohol) cambia con potencia de bombeo, la longitud de onda de resonancias plasmonicas generalmente puede cambiarse variando índice de refracción de capa dieléctrica. Fig. 7a,b ilustra que la metasuperficie puede funcionar como conmutador de polarización, basado en polarizador reflectivo con resonancia sintonizable para luz TM al cambiar índice de refracción de PVA. Como muestra Fig. 7b, sin estímulo externo, luz TM se absorbe completamente a 1550 nm ("off"), y la metasuperficie refleja completamente luz TM a 1565 nm ("on"). Con estímulo, la resonancia Fano para onda TM se desplaza a 1565 nm ("off"), y la metasuperficie se vuelve completamente reflectiva para TM a 1550 nm ("on"). En Fig. 7b, la metasuperficie logra cambio de reflexión de 0,009 a 98 % a 1550 nm, profundidad de modulación mucho mayor que sistemas de conmutación plasmonica previos. Por otro lado, según Fig. 7b, la reflexión de luz incidente permanece cercana a uno con y sin estímulo para polarización TE ("on"). Por tanto, esta metasuperficie realiza conmutador de polarización para luz TM basado en polarizador reflectivo con relación de extinción de 11.000 (R_TE/R_TM = 0,99/0,00009 = 11.000) a 1550 nm. También calculamos efecto del ángulo de polarización φ en espectros de reflexión (Fig. 7c). El rendimiento de absorción se deteriora gradualmente en longitudes de onda resonantes al aumentar φ, explicable porque campo eléctrico incidente se descompone en TE y TM, y TE se refleja. Basado en Fig. 7c, las polarizaciones de salida proyectadas, con y sin bombeo, a 1550 y 1588 nm se grafican en Fig. 7d.

a Estructura esquemática con luz de bombeo. b Espectros de reflexión con luz TM y TE, con y sin bombeo. c Espectros con varios ángulos de polarización. d Polarizaciones de salida proyectadas con y sin bombeo a 1550 y 1588 nm.

El CdO dopado con In es un material plasmonico ópticamente sintonizable, y el conmutador de polarización de femtosegundo operando a 2,8 μm basado en película de CdO fotoexcitado se ha demostrado experimentalmente. Para mejorar capacidad de sintonía de nuestra estructura EIT, investigamos propiedades ópticas de la metasuperficie usando CdO. La estructura esquemática de metasuperficie basada en CdO con parámetros geométricos se muestra en Fig. 8a. El índice de refracción de MgO y CdO se obtienen de referencias. Según Fig. 8b, mostramos espectros de reflexión con y sin bombeo alrededor de 1568 nm. En estado "on" estático, la metasuperficie es polarizador que refleja onda TE y absorbe completamente TM a 1568 nm. En estado "off" estático, la metasuperficie se vuelve reflectiva para ambas polarizaciones a 1568 nm, y la resonancia para TM se desplaza a 1581 nm, por cambio de índice de refracción de CdO dopado con In por estímulo externo. Particularmente, este polarizador reflectivo logra enorme relación de extinción a 1568 nm para TM por R_min extremadamente bajo (Fig. 8b). La enorme relación de extinción lo hace buena plataforma para control activo de polarización. Nótese que índice de refracción de CdO puede sintonizarse cambiando potencia de bombeo, permitiendo control activo de longitud de onda de operación del efecto tipo EIT. Además, la luz de bombeo no influye en otros materiales (oro, MgO), demostrado experimentalmente en referencias.

a Estructura esquemática de metasuperficie CdO con bombeo. b Espectros de reflexión con TM y TE, con y sin bombeo.

Además, por sensibilidad al índice de refracción, la metasuperficie puede detectar cambios de índice de refracción del entorno. En muchos trabajos de sensores de índice de refracción, se mide intensidad de luz reflejada/transmitida al variar índice de refracción circundante a longitud de onda específica. Para demostrar propiedad de sensor, Fig. 9 muestra que las dobles resonancias plasmonicas se corren al rojo al aumentar índice de refracción circundante. Con variación de índice, la sensibilidad S alcanza 1500 nm/RIU. El FWHM de dips de reflexión en ω_1 y ω_2 es 7 y 7,5 nm, indicando que esta metasuperficie opera como sensor de índice de refracción de ultraalto FOM (S/FWHM_1 = 214,29) en región NIR. El FOM = 214,29 supera ampliamente la mayoría de sensores de índice de refracción plasmonicos reportados.

a Espectros de reflexión variando índice de refracción circundante. b Longitudes de onda resonantes en función de índice de refracción circundante.

Conclusiones

En este trabajo, se propone y explota una novedosa metasuperficie hibridada ópticamente sintonizable para generar fenómenos tipo EIT alrededor de 1550 nm, hibridando acoplamiento de campo cercano en plano entre nanobarras de oro y acoplamiento fuera de plano entre nanobarras y sustrato. En diseño tradicional de metamateriales tipo EIT, dos resonadores de diferente forma, en disposición planar o vertical, funcionan como modo brillante y oscuro, induciendo EIT por acoplamiento modo brillante-oscuro. Sin embargo, en esta estructura, los dos modos brillantes individuales resultan de dos resonadores de misma forma con diferentes posiciones, que no es ni estructura planar ni vertical. Los dos modos plasmonicos fundamentales del sistema hibridado también se investigan en detalle. Al introducir CdO dopado con In, la longitud de onda del fenómeno tipo EIT puede sintonizarse ópticamente. Al mismo tiempo, esta metasuperficie se demuestra por primera vez como conmutador de polarización de femtosegundo para luz TM a 1550 nm, logrando relación de extinción (R_TE/R_TM) mucho mayor que conmutadores previos. Además, operando como nanoantenas plasmonicas, logra simultáneamente fuerte mejora de campo local (|E_loc|/|E_0| > 100) y absorción casi perfecta (> 99 %). Por estas ventajas, esta metasuperficie es candidata prometedora para conmutación de polarización de femtosegundo, nanoantenas plasmonicas y sensor de índice de refracción de alto FOM.

Abreviaturas

EIT:

Transparencia inducida electromagnéticamente

FDTD:

Diferencias finitas en dominio temporal

FE:

Mejora de campo

FEM:

Método de elementos finitos

FOM:

Factor de mérito

FWHM:

Ancho a media altura

PML:

Capa perfectamente adaptada

SEIRA:

Absorción infrarroja mejorada por superficie

SERS:

Dispersión Raman mejorada por superficie