[論文レビュー] Electric quadrupole and magnetic dipole coupling in plasmonic nanoparticle arrays

Viktoriia E. Babicheva, Andrey B. Evlyukhin|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 55被引用数 47

ひとこと要約

本論文は、金ナノ粒子の電気四重極モーメント（EQ）と磁気双極モーメント（MD）が周期アレイでどのように結合し格子共振を生み出すかを分析し、Kerker様似の反射抑制をもたらす。球とディスクを用いた半解析的多極理論と全波シミュレーションを、均質環境および非均質環境で組み合わせている。

ABSTRACT

Collective resonances in plasmonic nanoparticle arrays with electric dipole moment oriented along the lattice wave propagation are theoretically investigated. The role of electric quadrupole (EQ) and magnetic dipole (MD) moments of gold nanoparticles in the resonant features of the arrays is analyzed. We perform both semi-analytical calculations of coupled multipole equations and rigorous numerical simulations varying contributions of the electric and magnetic multipoles by changing particle size and shape (spheres and disks). The arrays in homogeneous and non-homogeneous environments are considered. We find that even very weak non-resonant EQ and MD moments of a single particle are significantly enhanced in the periodic lattice at the wavelength of collective (lattice) resonance excitation. Importantly, we show that in the infinite arrays, the EQ and MD moments of nanoparticles are coupled and affect each other resonant contributions. We also demonstrate that at the lattice-resonance wavelength, the enhanced EQ and MD moments have contributions to reflection comparable to the dipole one resulting in a significant decrease of reflection and providing the satisfaction of the generalized Kerker condition for reflection suppression.

研究の動機と目的

• 周期的プラズモニックナノ粒子アレイにおける格子共振を、格子伝搬方向に沿って電気偶極モーメントを揃えた状態で調査する。
• 共鳴特徴における電気 quadrupole（EQ）および磁気双極モーメント（MD）モーメントの役割と増強を評価する。
• 球およびディスクという粒子のサイズ/形状と環境（均質 vs 非均質）がEQ/MD寄与に与える影響を探索する。
• EQ/MD結合が反射を低減する条件（一般化Kerker条件）を示す。

提案手法

• ED、MD、EQの寄与を含む半解析的結合多極方程式を開発する。
• 相互粒子結合を記述する極化率 αp, αm, αq および対応するグリーンテンソル G, g, q を用いたディポール-四重極モデルを使用する。
• 格子結合（S1–S5項）下での有効極化率 αp^eff, αm^eff, αq^eff を導出する。
• 解析的表現（r, t）を用いたED, MD, EQ場の遠方場の重ね合わせによって反射と透過を計算する。
• 均質環境および非均質環境での球とディスクに対して、CST Microwave Studioによる全波シミュレーションと解析結果を照合する。
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実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 並列偏光の下で、ナノ粒子のEQとMDモーメントは周期アレイの格子共振にどう寄与するか？
• RQ2 EQ/MD結合は強く狭い格子共振を生み、一般化Kerker条件を介して反射を変形できるか？
• RQ3 粒子のサイズ/形状と環境の不均一性は、EQ/MD格子共振の強さと位置にどう影響するか？
• RQ4 EQとMDの格子共振はED応答と相互作用して、指向性散乱と反射抑制を生み出すか？

主な発見

• EQおよびMD格子共振は、単一粒子のEQおよびMDモーメントが弱い場合でもアレイで励起可能である。
• 無限格子におけるEQとMDモーメントの結合は著しく共鳴寄与を生み、線幅と位置に影響を及ぼす。
• 格子共振波長で、強化されたEQとMDモーメントが反射抑制に寄与し、ドップラー寄与と比較可能な程度の反射抑制を生じ、一般化Kerker条件を満たす。
• ED, EQ, MD結合を含む解析モデルは数値シミュレーションと良好に一致し、正確なKerker様挙動にはEQ–MD結合が必要であることを示す。
• ディスクと球の両方で格子共振が現れ、吸収が強く反射が抑制されること、非均質環境がこれらの特徴を分割・移動させ得ることが示される。