[論文レビュー] Dynamic control of anapole states with phase-change alloys

Jingyi Tian, Hao Luo+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2018

Phase-change materials and chalcogenides参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、材料の相に依存する屈折率対比を活用することで、ゲルマニウムアンチモニド・テルルルイド（GST）ナノディスクにおけるアノポール状態の動的かつスイッチ可能な制御を、理論的および実験的に示している。GSTをアモルファス状態と結晶状態の間で調整することにより、明るい電気双極子モードと暗いアノポールモードの間で連続的かつ広帯域（Δλ > 600 nm）のスイッチングが実現され、消光対比 >6 dB、マルチレベル制御を有するマルチスペクトル光スイッチングが可能となる。

ABSTRACT

High-index dielectric nanoparticles supporting a distinct series of Mie resonances have enabled a new class of optical antennas with unprecedented functionalities. The great wealth of multipolar responses and their delicate interplay have not only spurred practical developments but also brought new insight into fundamental physics such as the recent observation of nonradiating anapole states in the optical regime. However, how to make such a colorful resonance palette actively tunable and even switchable among different elemental multipoles is still elusive. Here, for the first time, we demonstrate both theoretically and experimentally that a structured phase-change alloy Ge$_2$Sb$_2$Te$_5$ (GST) can support a diverse set of multipolar Mie resonances with active tunability and switchability. By harnessing the dramatic optical contrast (Δn > 2) and the intermediate phases of the GST material, we realize continuous switching between a scattering bright state (electric dipole mode) and a dark state (anapole mode) in a broadband range (Δλ > 600 nm). Dynamic control of higher-order anapoles and resulting multimodal switching effects are also systematically investigated, which naturally make the structured GST serve as a multispectral optical switch with high extinction contrasts (> 6 dB) and multi-level control capabilities. With all these findings, our study provides an entirely new design principle for realizing active nanophotonic devices.

研究の動機と目的

• 高屈折率の誘電体ナノ粒子における多極モードのアクティブ制御の欠如に取り組むこと。
• 製造後に再構成不能な従来の誘電体共鳴器の被動的性質を克服すること。
• GSTの大きな光学的対比と中間相の特性を活用し、チューナブルでスイッチ可能なアノポール状態を実現すること。
• 1つのナノ構造内で散乱が明るい（電気双極子）と暗い（アノポール）状態の間で広帯域かつ連続的なスイッチングを実証すること。
• フェーズチェンジ材料を用いたアクティブナノフォトニクス素子のための新しい設計原則を確立すること。

提案手法

• COMSOL Multiphysicsを用いた有限要素法（FEM）シミュレーションを用いて、10 nmのメッシュ解像度でGSTナノディスクの理論的モデリングを実施。
• 正規入射下での消光、散乱、吸収断面積の計算のため、全場／散乱場（TF/SF）励起を採用。
• 極化電流密度と球ベッセル関数を用いた球面調和関数展開による多重極分解により、電気（a(ℓ,m)）および磁気（b(ℓ,m)）多重極係数を抽出。
• 多重極分解の式（式5–6）を適用し、基本モードおよび高次モードの寄与を特定。
• 電子ビームリソグラフィーと磁控スパッタリングを用いた実験的プロセスにより、CaF₂基板上に220 nm厚のアモルファスGSTナノディスクアレイを形成。
• 145 °Cでの熱アニールにより相転移を誘発し、各サイクル後にFTIRおよびMCT検出器を用いて透過スペクトルを測定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GSTのような相変化材料を用いることで、誘電体ナノ構造におけるアノポール状態のアクティブ制御が可能か？
• RQ2 GSTナノディスクにおけるアノポールモードと電気双極子モードの間で、どの程度のスペクトルチューナビリティが達成可能か？
• RQ3 GSTの中間相が、明確に区別される多重極状態の間で連続的かつ広帯域のスイッチングを可能にするか？
• RQ4 GSTナノ構造の多重極分解は、高次アノポールモードの存在をどのように明らかにするか？
• RQ5 この系は、高い消光対比とマルチレベル制御を有するマルチスペクトル光スイッチとして機能可能か？

主な発見

• 著者らは、相工学を用いて、GSTナノディスクにおいて明るい電気双極子モードと暗いアノポールモードの間で連続的かつ広帯域（Δλ > 600 nm）のスイッチングを実証した。
• 本システムは>6 dBの高い消光対比を達成しており、光スイッチング応用における強い変調深度を示している。
• 多重極分解により、基本モードおよび高次アノポールモードの両方の存在が確認され、マルチモードスイッチングの可能性が示された。
• GSTの中間相により、状態間の段階的チューニングが可能となり、単純なオン／オフスイッチングを超えたマルチレベル制御が実現された。
• 理論的および実験的結果は良好に一致しており、CMOS準拠で非揮発性のプラットフォームにおけるアノポール状態のアクティブチューナビリティが妥当であることが裏付けられた。
• 本研究により、再構成可能な多重極応答を有する多機能ナノフォトニクス素子のための実用的でチューナブルな誘電体プラットフォームとしてのGSTの有効性が確立された。