[論文レビュー] Coupled Magnetic Resonator Optical Waveguides - mimicking spin waves in coupled metamaterials

Hui Liu, Shining Zhu|arXiv (Cornell University)|Apr 2, 2013

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 76被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、LC共振金属マイクロ構造における近隣結合を活用して、メタマテリアル内のスピン波ダイナミクスを模倣するための結合磁気共鳴子光波ガイド（CMROW）を提案する。ラグランジュ形式を用いて、異常な分散および遅い光効果が示され、放射損失が低く、局所的場の制御が向上するため、非線形光学および量子光学への応用が可能である。

ABSTRACT

Optical resonators are important devices that control the properties of light and manipulate light-matter interaction. Various optical resonators are designed and fabricated using different techniques. For example, in coupled resonator optical waveguides, light energy is transported to other resonators through near-field coupling. In recent years, magnetic optical resonators based on LC resonance have been realized in several metallic microstructures. Such devices possess stronger local resonance and lower radiation loss compared with electric optical resonators. This study provides an overall introduction on the latest progress in coupled magnetic resonator optical waveguide (CMROW). Various waveguides composed of different magnetic resonators are presented and Lagrangian formalism is used to describe the CMROW. Moreover, several interesting properties of CMROW, such as abnormal dispersions and slow light effects, are discussed and CMROW applications in nonlinear and quantum optics are shown. Future novel nanophotonic devices can be developed using CMROW.

研究の動機と目的

• 磁気メタマテリアル内のスピン波挙動を光波ガイドを用いて模倣するフォトニクスプラットフォームの開発を目的とする。
• 磁気共鳴子における近隣結合を活用して、放射損失を低減した効率的なエネルギー移動を実現することを目的とする。
• ラグランジュ形式を用いて、結合磁気共鳴子光波ガイド（CMROW）のダイナミクスをモデル化・解析することを目的とする。
• CMROWにおける異常な分散および遅い光効果を探索し、光-物質相互作用を強化することを目的とする。
• CMROWシステムを用いて、非線形光学および量子光学への応用の可能性を示すこと。

提案手法

• 結合磁気共鳴子の運動方程式を導出するためにラグランジュ形式を用い、その集団的ダイナミクスをモデル化する。
• LC共振金属マイクロ構造を用いて、強い局所的場強調と低放射損失を実現する磁気光共鳴子を構築する。
• 磁気共鳴子のアレイを用いて波ガイドを設計し、近隣結合によるエネルギー伝搬を可能にする。
• 分散関係の解析を通じて、CMROWシステムにおける異常な分散および遅い光領域を同定する。
• 形式的枠組みを用いて、波ガイドプラットフォームにおける非線形および量子光学効果の予測と特徴付けを行う。
• 波動伝搬および場の局在の数値シミュレーションを通じて理論的予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして磁気共鳴子光波ガイドを設計することで、結合メタマテリアル内のスピン波ダイナミクスを模倣できるか？
• RQ2 CMROWにおける磁気共鳴子間のエネルギー移動を可能にする近隣結合の役割は何か？
• RQ3 CMROWにおいて異常な分散および遅い光効果はどのようにして生じるのか、その意味は何か？
• RQ4 CMROWは非線形および量子光学的現象をどのようにサポートできるか？
• RQ5 場の局在性および放射損失の観点から、電気共鳴子に比べて磁気共鳴子が持つ利点は何か？

主な発見

• 強い共鳴子間結合によりCMROWは異常な分散を示し、特徴的なバンド構造が得られる。
• 群速度が光速の少数にまで低下する遅い光効果が実現され、光-物質相互作用が強化される。
• 磁気共鳴子は電気共鳴子に比べて顕著に低い放射損失を示し、エネルギーの閉じ込めが向上する。
• ラグランジュ形式は、モード分裂や結合効率を含むCMROWの集団的ダイナミクスを的確にモデル化できた。
• 数値シミュレーションにより、CMROWシステムにおける強い場の局在および強化された非線形応答が確認された。
• CMROWプラットフォームは、将来的なナノフォトニクスデバイスにおける非線形光学および量子光学用途に実現可能である。