[論文レビュー] High quality factor polariton resonators using van der Waals materials

Michele Tamagnone, Kundan Chaudhary+7 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、イソトープ純度の高い六方晶窒化ホウ素およびα-モリブデンナイトライドのナノディスクを用いて、中赤外〜遠赤外域で高品質因数（Q ≈ 400）の極小フォノン極小子ナノレゾネータを実証した。ヴァン・デル・ワールス材料におけるフォノン極小子を利用することで、励起波長よりも10〜30倍も小さい寸法で深く準拡散的（deeply subwavelength）な閉じ込めを実現し、超小型で高性能なナノフォトニクス素子の実現に貢献する。

ABSTRACT

We present high quality factor optical nanoresonators operating in the mid-IR to far-IR based on phonon polaritons in van der Waals materials. The nanoresonators are disks patterned from isotopically pure hexagonal boron nitride (isotopes 10B and 11B) and α-molybdenum trioxide. We experimentally achieved quality factors of nearly 400, the highest ever observed in nano-resonators at these wavelengths. The excited modes are deeply subwavelength, and the resonators are 10 to 30 times smaller than the exciting wavelength. These results are very promising for the realization of nano-photonics devices such as optical bio-sensors and miniature optical components such as polarizers and filters.

研究の動機と目的

• 中〜遠赤外応用を目的とした、超小型で高品質因数の光学レゾネータの開発。
• 従来の誘電体では、準拡散的スケールで高Q因数を達成するという限界を克服すること。
• イソトープ純度の高いhBNおよびα-MoO3を含むヴァン・デル・ワールス材料に内在する低光学損失および強力なフォノン極小子を活用すること。
• 中〜遠赤外域で、これまでの記録を超える品質因数を達成するナノレゾネータの実証。
• 統合ナノフォトニクス分野への応用、例えばバイオスセンサーやフィルター、偏光子の実現。

提案手法

• 電子線リソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、イソトープ純度の高い六方晶窒化ホウ素（10Bおよび11B）およびα-モリブデンナイトライドからディスク形状のナノレゾネータをプロセス。
• ヴァン・デル・ワールス材料におけるフォノン極小子を活用し、中〜遠赤外周波数帯で高品質因数の光学モードを励起。
• フォーリエ変換赤外分光法を用いて、実験的に共鳴モードを特徴付け、品質因数を抽出。
• 励起波長よりも10〜30倍小さい直径を有するレゾネータを設計することで、深く準拡散的（deeply subwavelength）な閉じ込めを実現。
• hBNにおけるイソトープ純度の向上により散乱損失を低減し、品質因数の向上に寄与。
• 複数のサンプルにわたる共鳴応答の体系的測定により、再現性および性能の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヴァン・デル・ワールス材料は、中〜遠赤外スペクトル域で高品質因数の光学共鳴を支えることができるか？
• RQ2 2次元材料におけるフォノン極小子に基づく準拡散的ナノレゾネータで、達成可能な最大品質因数は何か？
• RQ3 レゾネータのサイズが自由空間波長に対してどのようにスケーリングするかが、品質因数およびモード閉じ込めに与える影響は何か？
• RQ4 イソトープ純度の高いhBNおよびα-MoO3を用いることで、これらの波長域におけるナノスケールレゾネータで記録的なQ因数を達成できるか？
• RQ5 高Q因数および強い電場閉じ込めを維持しつつ、これらのレゾネータはどの程度までミニチュア化できるか？

主な発見

• 実装されたナノレゾネータは、中〜遠赤外域でこれまでに報告された中で最高となるQ因数約400を達成した。
• 共鳴モードは深く準拡散的であり、レゾネータの寸法は励起波長の10〜30倍も小さい。
• イソトープ純度の高い六方晶窒化ホウ素は、散乱損失を顕著に低減させ、高Q因数に寄与している。
• α-モリブデンナイトライドにおけるフォノン極小子は、遠赤外域で強い電場閉じ込めと高品質因数の共鳴モードを支える。
• 実験的結果は、複数のサンプルにわたって再現性があり、信頼性の高い性能を示しており、本手法の実現可能性を裏付けている。
• 本結果は、フィルター、偏光子、バイオスセンサなど、超小型で高性能なナノフォトニクス素子の実現への道筋を示している。