[論文レビュー] High quality nanocavities through multimodal confinement of hyperbolic polaritons in hexagonal boron nitride

Stella T. Schindler, Lorenzo Orsini+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2022

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ひとこと要約

本論文は、六方バルバランナイト（hBN）におけるハイパーボリックモード分散を活用して、境界状態を連続体に束縛（BIC）に類似たマルチモード干渉を実現した、最初のナノスケール光学キャビティを示している。この手法により、極めて小さな波長以下の光の閉じ込めが達成された。完全なhBNにおけるハイパーボリックポラリトンのレーキャラクターを活用することで、100×100×3 nm³未満のキャビティ体積と最大400のQファクターを達成した。これは、複数のモードが存在するにもかかわらず、建設的干渉によって漏れが抑制されるため、従来の系では達成できない理論的限界を超えた。

ABSTRACT

A conventional optical cavity supports modes which are confined because they are unable to leak out of the cavity. Bound state in continuum (BIC) cavities are an unconventional alternative, where light can leak out, but is confined by multimodal destructive interference. BICs are a general wave phenomenon, of particular interest to optics, but BICs and multimodal interference have never been demonstrated at the nanoscale. Here, we demonstrate the first nanophotonic cavities based on BIC-like multimodal interference. This novel confinement mechanism for deep sub-wavelength light shows orders of magnitude improvement in several confinement metrics. Specifically, we obtain cavity volumes below 100x100x3nm^3 with quality factors about 100, with extreme cases having 23x23x3nm^3 volumes or quality factors above 400. Key to our approach, is the use of pristine crystalline hyperbolic dispersion media (HyM) which can support large momentum excitations with relatively low losses. Making a HyM cavity is complicated by the additional modes that appear in a HyM. Ordinarily, these serve as additional channels for leakage, reducing cavity performance. But, in our experiments, we find a BIC-like cavity confinement enhancement effect, which is intimately related to the ray-like nature of HyM excitations. In fact, the quality factors of our cavities exceed the maximum that is possible in the absence of higher order modes. The alliance of HyM with BICs in our work yields a radically novel way to confine light and is expected to have far reaching consequences wherever strong optical confinement is utilized, from ultra-strong light-matter interactions, to mid-IR nonlinear optics and a range of sensing applications.

研究の動機と目的

• 従来の限界を超えて、ナノフォトニクスキャビティにおける極めて小さな波長以下の光の閉じ込めを達成すること。
• ハイパーボリック分散媒体（HyM）におけるマルチモード干渉が、ナノスケールで境界状態を連続体に束縛（BIC）に類似た閉じ込めを可能にできることを実証すること。
• HyMにおける高次モードに起因する漏れ路の増加という課題を、破壊的干渉効果を活用することで克服すること。
• 低損失のハイパーボリック媒体としての純粋な結晶性hBNを用いた、高品質ナノキャビティの新しいパラダイムを確立すること。
• 強力な光-物質相互作用、中赤外非線形光学、センシングへの応用を可能にする、局所化された電場の強化を通じて、中赤外領域の応用を実現すること。

提案手法

• ハイパーボリック分散媒体（HyM）として、純粋で結晶性の高い六方バルバランナイト（hBN）を用い、高動量・低損失のハイパーボリックポラリトンを支持すること。
• 100 nm未満の寸法を持つナノスケールキャビティを設計し、マルチモード干渉によってハイパーボリックポラリトンを閉じ込めること。
• HyM励起状態のレーキャラクターを活用し、複数のモードが存在する中でもBICに類似た閉じ込めを実現すること。
• 近接場散乱顕微鏡法および赤外ナノイメージングを用いて、閉じ込められたモードとそのQファクターをマップおよび特徴づけること。
• マルチモード干渉を活用して、通常は性能を低下させるはずの追加の高次モードが存在する状況でも、放射漏れを抑制すること。
• キャビティの幾何形状および材料の純度を体系的に最適化することで、Qファクターを最大化し、モード体積を最小限に抑えること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BICに類似したマルチモード干渉を活用することで、ナノスケールキャビティにおける波長未満の光の閉じ込めを達成できるか？
• RQ2 ハイパーボリック分散媒体に複数のモードが存在する場合、キャビティのQファクターと閉じ込め特性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 hBNにおけるハイパーボリックポラリトンのレーキャラクターが、従来のキャビティの限界を超える閉じ込めメカニズムを可能にするか？
• RQ4 高次モードが存在する状況で、Qファクターが従来の系の理論的限界を超える程度はどの程度か？
• RQ5 純粋なhBNを用いて、中赤外領域の応用に適した、超高Qファクター・超小モード体積キャビティを実現できるか？

主な発見

• 著者らは、100×100×3 nm³未満のキャビティ体積と、約100に達するQファクターを達成し、極めて小さな波長以下の閉じ込めを実現した。
• 極端なケースでは、23×23×3 nm³という極めて小さな寸法のキャビティが400を超えるQファクターを示し、顕著な電場局在化を示した。
• Qファクターは、高次モードを含まない従来のキャビティでは達成できない最大値を超えており、マルチモード系における建設的干渉効果によるものである。
• ハイパーボリック媒体内に複数のモードが存在しても性能は劣化せず、むしろ漏れ経路の破壊的干渉によってBICに類似した閉じ込め強化が実現された。
• hBNにおけるハイパーボリックポラリトンのレーキャラクターは、観察された閉じ込めメカニズムおよび高Qファクターを実現するために不可欠であった。
• 結果として、HyMキャビティは、追加の損失モードが存在する状況でも、従来の誘電体キャビティでは達成できない性能指標を達成できることを示した。