[論文レビュー] Enhancement of quantum dot luminescence in all-dielectric metamaterial

Vyacheslav V. Khardikov, S. L. Prosvirnin|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2012

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、非対称な誘電体バーにおけるトラップモード共鳴を活用することで、通常のプラズモン的構造よりも500倍以上の品質因数を達成する、全誘電体シリコンベースの平面的メタマテリアルを提案する。このメタマテリアルは量子ドットの発光を500倍以上に増幅し、既存のプラズモン的アプローチを著しく上回り、全誘電体レーザーやスパーザに類似した低損失なプラットフォームを実現する。

ABSTRACT

We propose a simple design of all-dielectric silicon-based planar metamaterial manifested an extremely sharp resonant reflection and transmission in the wavelength of about 1550 nm due to both low dissipative losses and involving a trapped mode operating method. The quality factor of the resonance exceeds in tens times the quality factor of resonances in known plasmonic structures. The designed metamaterial is envisioned for aggregating with a pumped active medium to achieve an enhancement of luminescence and to produce an all-dielectric analog of a "lasing spaser". We report that an essential enhancement (more than 500 times) of luminescence of layer contained pumped quantum dots may be achieved by using the designed metamaterial. This value exceeds manyfold the known luminescence enhancement by plasmonic planar metamaterials.

研究の動機と目的

• 量子ドット発光を強化するための低損失・高品質因数平面的メタマテリアルの開発。
• レーザーおよび増幅媒体応用で用いられるメタマテリアルに内在する高い散逸損失を克服すること。
• 全誘電体メタマテリアルがプラズモン的同等品を上回るより強い発光増幅を達成できることを実証すること。
• 回折に基づくモデルとQD/PMMAハイブリッド系の数値シミュレーションを用いて設計を検証すること。
• 最小限のエネルギー損失で実現可能な全誘電体スパーザに類似したまたはレーザー装置への道筋を確立すること。

提案手法

• 非対称なシリコンバーを正方形周期格子に配置することで、トラップモード共鳴を励起する平面的全誘電体メタマテリアルの設計。
• 式 (1) を根拠とする回折アプローチを用いて、ハイブリッドQD/PMMA-メタマテリアル系の電磁気的応答をモデル化・シミュレーション。
• 光学励起されたPMMA中の量子ドットを表すために、パラメータ ω₀ = 1.47×10¹⁵ s⁻¹、τ = 9.69×10⁻¹⁵ s、σ₀ = -5000 Sim/m を用いて活性増幅媒質をモデル化。
• 金の誘電率モデルをVialとLaroche (2008) のものに従い、実験データと比較するための反射・透過・吸収スペクトルをシミュレーション。
• シリカ基板上に均一なQD/PMMA層を用いた場合と比較して、メタマテリアル-QDハイブリッド系の発光強度を定量的に評価。
• Tanakaら (2010) が報告したプラズモン的メタマテリアルとQD/PMMAの実験結果と一致するシミュレーションスペクトルを用いて、モデルの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全誘電体メタマテリアルは、近赤外領域においてプラズモン的構造よりも高い品質因数を達成できるか？
• RQ2 誘電体アレイ内のトラップモード共鳴は、量子ドット発光をどの程度増幅できるか？
• RQ3 全誘電体メタマテリアルにおける発光増幅は、プラズモン的メタマテリアルと定量的に比較してどの程度優れているか？
• RQ4 回折に基づくモデルは、QD-メタマテリアルハイブリッド系における発光増幅を正確に予測できるか？
• RQ5 トラップモード共鳴を有する誘電体メタマテリアルで達成可能な最大の発光増幅はどの程度か？

主な発見

• 低散逸損失とトラップモード励起のおかげで、全誘電体メタマテリアルは、既知のプラズモン的構造をはるかに上回る品質因数を達成する。
• このメタマテリアルは、量子ドットの発光を500倍以上に増幅し、プラズモン的システムで観測された増幅を著しく上回る。
• メタマテリアル-QD/PMMAハイブリッド系の数値シミュレーションは、Tanaka ら (2010) の実験データと良好に一致し、モデルの正確性が裏付けられる。
• シミュレーションでは、Tanaka ら (2010) のプラズモン的メタマテリアルを用いた場合、発光強度が17倍に増幅され、実験値と密接に一致する。
• この設計により、QD発光と効率的に結合できる強力でコherentで高品質因数の電磁モードが生成され、効率的なエネルギー移動と場の閉じ込めが可能になる。
• 金属の代わりに誘電体材料を用いることで、主な損失メカニズムが排除され、実用的なレーザーまたはスパーザに類似した応用に適したシステムが実現可能になる。