[論文レビュー] Bound States in Continuum and Zero-Index Metamaterials: A Review

Peng Yu, Shaolin Liao|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 49被引用数 13

ひとこと要約

本レビューでは、連続体内の束縛状態（BICs）とゼロインデックスメタマテリアル（ZIMs）を検討し、破壊的干渉によってμニアゼロ（uNZ）シリコンピラー配列の面外放射を完全に抑制できることを示した。これにより、10⁵を超えるQファクターが達成された。この構造的設計により、平面的で統合型の光子デバイスにおける損失のないゼロインデックス波動の伝播が可能となった。

ABSTRACT

Bound states in the continuum (BICs) are waves that remain localized even though they coexist with a continuous spectrum of radiating waves that can carry energy away. Their very existence defies conventional wisdom. Although BICs were first proposed in quantum mechanics, they are a general wave phenomenon and have since been identified in electromagnetic waves, acoustic waves in air, water waves and elastic waves in solids. These states have been studied in a wide range of material systems, such as piezoelectric materials, dielectric photonic crystals, optical waveguides and fibers, quantum dots, graphene and topological insulators. In this Review, we describe recent developments in this field with an emphasis on the physical mechanisms that lead to BICs across seemingly very different materials and types of waves. We also discuss experimental realizations, existing applications and directions for future work. At last, we present our recent effort to design a novel type of silicon (Si) based mu-Near-Zero (uNZ) metamaterials that reduces radiative loss through destructive interference of multiple loss channels, resulting in a bound state in the continuum. This design consists of Si pillars array. By adjusting the unit-cell dimensions including radius, pitch and height, we can eliminate the out-of-plane radiation.

研究の動機と目的

• 電磁波、音響波、弾性波を含む多様な波系における連続体内の束縛状態（BICs）の理解を統合すること。
• 周期的および拡張構造におけるBICsを可能にする物理的メカニズム、特に対称性と干渉を解明すること。
• 複数の放射チャネルの破壊的干渉によってBICsを実現する、シリコンベースのμニアゼロ（uNZ）メタマテリアルの設計とシミュレーションを実施すること。
• 構造的エンジニアリングにより放射損失を排除することで、平面的でオンチップ型光子デバイスにおける損失のないゼロインデックス波動伝播を実現すること。
• 統合フォトニクス、レーザー、センサ、量子オプティクスへの応用を想定したBIC-ZIMハイブリッドシステムの可能性を検討すること。

提案手法

• 放射境界条件を伴う波動方程式の理論的モデリングにより、BICsを虚数周波数γ = 0である状態として定義し、放射がないことを示した。
• 周期的Siピラー配列における放射チャネル間の破壊的干渉を設計するために、マルチモード干渉の原則を用いた。
• シリコンピラーのユニットセル幾何形状（半径、ピッチ、高さ）のパラメータ最適化により、面外放射を抑制し、BICsを達成した。
• 2次元周期的Siピラー配列における電磁応答のシミュレーションにより、Q > 10⁵を示すBICモードの出現を検証した。
• エプシロンニアゼロ（eNZ）およびμニアゼロ（uNZ）条件を適用し、位相不変伝搬を可能にするゼロインデックス波動伝播を実現した。
• Si波ガイドに接続された平面的BIC-ZIMプレートの設計により、位相の蓄積や放射損失なしに光の損失のない、位相整合伝搬を実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして干渉メカニズムを用いて、拡張的かつ周期的なフォトニクス構造にBICsを実現できるか？
• RQ2 シリコンベースのメタマテリアルにおいて、どのような構造的パラメータを調整することで、面外放射を完全に抑制できるか？
• RQ3 μニアゼロ（uNZ）メタマテリアルにおけるBICsは、平面的でオンチップ型の構成において、損失のないゼロインデックス波動伝播を可能にするか？
• RQ4 破壊的干渉は、BICモードにおける超高Qファクターを実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 uNZ/eNZメタマテリアルにおけるBICsは、スーパー結合や幾何学的不変固有モードといった特異な光学現象をどのように可能にするか？

主な発見

• 最適化されたシリコンピラー配列設計により、10⁵を超えるQファクターが達成され、従来の設計比で2桁の改善が得られた。
• uNZ構造における複数の放射チャネル間の破壊的干渉により、面外放射が完全に排除され、真の連続体内の束縛状態が実現された。
• uNZメタマテリアルにおけるBICモードは、損失のない伝搬を示し、ゼロの屈折率を有し、スラブ全体で位相不変伝搬を可能にした。
• BIC-ZIMハイブリッド構造により、平面的Si波ガイドからゼロインデックスモードへの効率的結合が実現され、位相の蓄積や放射損失がなくなりました。
• uNZおよびeNZメタマテリアルの設計を支援する理論的式が導出され、実証された。
• BICsとゼロインデックス特性の統合により、統合シリコンフォトニクスおよび量子オプティクス分野における低損失・高Q光子デバイスの新たな道筋が開かれた。