[論文レビュー] From Fano resonances to bound states in the continuum in dipole arrays at THz frequencies

Diego R. Abujetas, Niels van Hoof+3 more|Figshare|Jan 10, 2019

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 40被引用数 44

ひとこと要約

この論文は、非対称な金ロッドディマーの2Dメタ表面がTHz周波数で狭いファノ共鳴を示し、棒が同一寸法になるにつれての境界状態（BICs）へと段階的に鋭くなることを実験的および理論的に示し、ユニバーサルdetuned-dipoleモデルによって支持される。

ABSTRACT

Fano resonances and bound states in the continuum (BICs) exhibit a rich phenomenology stemming from, respectively, their asymmetric line shapes and infinite quality factors. Here, we show experimentally and theoretically that rod dimer metasurfaces exhibit narrow (high-Q) Fano resonances at THz frequencies. These resonances evolve continuously into a BIC as the rods in each dimer become identical. We demonstrate analytically that this is a universal behavior occurring in arrays of dimers consisting of detuned resonant dipoles. Fano resonances arise as a result of the interference between broad and narrow lattice dipole resonances, with high-Q factors tending to infinity in the detuning parameter space as the narrow lattice resonance becomes a BIC for identical resonant dipoles. Similar configurations can be straightforwardly envisioned throughout the electromagnetic spectrum leading to ultrahigh-Q Fano resonances and BICs of interest in photonics applications such as sensing and lasing.

研究の動機と目的

• THzのロッド-ダイマー・メタサーフェースにおけるファノ共鳴と境界状態（BICs）を調査する。
• 単位格子内の二つのロッドが同一寸法に近づくにつれて共鳴が狭くなることを実証する。
• 観測された現象を説明するため、デタuned共鳴ディポールの配列に対する簡單な解析モデルを開発する。
• 格子パラメータとディポール変位全体にわたるデタuned-ディポール機構の普遍性を確立する。
• 超高Q共鳴とBICsを用いたセンシングおよび発生アプリケーションへの示唆を議論する。

提案手法

• L1を固定したままL2を変えた金ロッドディマーの石英上への2D正方格子の作製。
• 垂直入射でのTHz透過測定と、平面完導体ロッドを用いた数値SCUFFシミュレーションとの比較。
• 配列応答を説明するため、y軸方向のディポールド極化と格子デポラライゼーションdyadicを伴う結合ディポール-ディマー模型の開発。
• デタuning DeltaAlpha_y が二つの格子モードの幅をどのように制御し、ゼロデタuning時にゼロ幅のBICを生み出すかを示す解析的導出。
• シミュレーテッド散乱断面から極化率を抽出し、透過スペクトルと位相挙動を再現。
• 格子内のBIC場の閉じ込めを示す近接場および全波シミュレーション。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デタuned-ディポール配列は、THz透過におけるファノ線形を生み出す広いモードと狭いモードの干渉をサポートできるか。
• RQ2 二つのディポールを同一にする（ゼロデタuning）ことで、狭い共鳴が対称性で保護され放射されない境界状態（BIC）へ崩壊するか。
• RQ3 格子定数および単位セル内のディポール変位の変化に対してBIC条件は頑健か、すなわち幾何学間で普遍か。

主な発見

• L2 ≠ L1 のときにTHz透過で強く狭いファノ共鳴を実験的に観測し、棒が同一寸法に近づくにつれて共鳴が極めて狭くなる。
• 解析的結合ディポールモデルは、広い明るいモードである Im[Lambda+] がデタuningの減少とともにゼロに近づき、ゼロデタuningでBICを示す。
• ファノ共鳴が、デタuning DeltaAlpha_y によって制御される広い明るいモードと狭い暗いモード間の干渉から生じることの実証。
• 普遍性の主張: 高次多極子を無視する限り、格子パラメータ a, b および単位セル内の変位 dx, dy に対してもBIC条件は頑健である。
• 近接場マップと位相解析は、共鳴近傍での場増強と棒間のπ位相差を明らかにし、暗い格子共鳴の挙動と一致する。