[論文レビュー] Functional meta-optics and nanophotonics govern by Mie resonances

Sergey Kruk, Yuri S. Kivshar|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、高屈折率の誘電ナノ粒子におけるMie共鳴が、低損失で強い電気的および磁気的デュポール共鳴を支持することにより、すべての誘電ナノ光学素子の実現を可能にし、光の位相と振幅を完全に制御できることをレビューしている。主な貢献は、これらの共鳴が一方向散乱、連続スペクトル内の束縛状態、およびトポロジカル的エッジ状態といった新しい機能を実現できることを示したことである。これにより、非線形光学、量子トモグラフィー、統合フォトニクス回路分野の応用が進展する。

ABSTRACT

Scattering of electromagnetic waves by subwavelength objects is accompanied by the excitation of electric and magnetic Mie resonances, that may modify substantially the scattering intensity and radiation pattern. Scattered fields can be decomposed into electric and magnetic multipoles, and the magnetic multipoles define magnetic response of structured materials underpinning the new field of all-dielectric resonant meta-optics. Here we review the recent developments in meta-optics and nanophotonics, and demonstrate that the Mie resonances can play a crucial role offering novel ways for the enhancement of many optical effects near magnetic and electric multipolar resonances, as well as driving a variety of interference phenomena which govern recently discovered novel effects in nanophotonics. We further discuss the frontiers of all-dielectric meta-optics for flexible and advanced control of light with full phase and amplitude engineering, including nonlinear nanophotonics, anapole nanolasers, quantum tomography, and topological photonics.

研究の動機と目的

• Mie共鳴が非磁性で高屈折率の誘電ナノ構造において光学的磁性をどのように実現するかを確立すること。
• 誘電ナノ粒子内の電気的および磁気的多重極共鳴が、ナノフォトニクスデバイスにおける損失の大きいプラズモン的コンponentsに代わることを示すこと。
• 多重モード干渉の工学的制御により、一方向散乱や放射しないアナポール状態といった新しい光学効果を達成すること。
• Mie共鳴を示す誘電メタサーフェスの非線形フォトニクス、量子トモグラフィー、トポロジカルフォトニクスへの応用を調査すること。
• 共鳴する誘電メタアトムを用いて、次世代の光学メタデバイスのための光の位相と振幅を完全に制御すること。

提案手法

• Mie理論を用いて散乱場を電気的および磁気的多重極に分解し、特に磁気的デュポール（MD）および電気的デュポール（ED）共鳴に焦点を当てる。
• 位相の変位電流寄与により、共振する電場および磁場を励起できるように、サブ波長サイズの高屈折率誘電ナノ粒子（例：シリコンナノディスク）を設計する。
• 電気的および磁気的多重極の干渉を工学的に制御して、一方向散乱および連続スペクトル内の束縛状態（BICs）を実現する。
• メタクリスタルにおける電磁的双対性の概念を応用して、頑健なエッジ状態を有するフォトニクス的トポロジカルインスレータを構築する。
• 誘電ナノ構造の低損失および高Qファクター共鳴を活用して、周波数倍発生やラマン散乱のような非線形効果を強化する。
• Mie共鳴を示す誘電素子に基づくメタサーフェスを用いて、並列的で高精度な量子状態検出および量子トモグラフィーを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高屈折率の誘電ナノ粒子におけるMie共鳴は、固有の磁性材料が存在しない状況でも、どのように強力な光学的磁性を生成するのか？
• RQ2 電気的および磁気的デュポール共鳴は、メタ光学素子において低損失で完全な位相および振幅制御を可能にするために果たす役割は何か？
• RQ3 誘電ナノ構造内の多重極間の干渉は、どのように放射しないアナポール状態や一方向散乱を生成するのか？
• RQ4 Mie共鳴を示す誘電メタサーフェスは、頑健なフォトニクス的波ガイドを実現するためのトポロジカルに保護されたエッジ状態を支持できるか？
• RQ5 すべての誘電ナノ光学素子は、非線形および量子フォトニクス応用において、どこまでプラズモン的コンponentsに置き換え可能か？

主な発見

• 高屈折率の誘電ナノ粒子におけるMie共鳴は、位相の変位電流を通じて強い光学的磁性を実現し、非磁性材料が効果的な磁気的デュポール応答を示すことを可能にする。
• 半径200 nm、高さ260 nmのシリコンナノディスクは、図1に示す散乱効率スペクトルにより、強力な磁気的デュポールおよび電気的デュポール共鳴を示すことが確認された。
• 電気的および磁気的多重極の共存は、破壊的干渉を介して放射しないアナポール状態を形成でき、放射損失を最小限に抑える。
• 誘電ナノ構造における多重モード干渉により、一方向散乱および連続スペクトル内の束縛状態（BICs）が実現可能であり、構造的不規則性に対して頑健である。
• Mie共鳴を示す誘電メタクリスタルにおけるサブ波長サイズのエッジ状態は、急峻な曲がりでも散乱がなく、トポロジカルに保護された光の伝搬を可能にする。図6(f)にて実証された。
• Mie共鳴を示す誘電メタサーフェスは、並列的で頑健な量子状態検出を実現し、量子通信および量子計算に適している。