[論文レビュー] Multipole resonances and directional scattering by hyperbolic-media antennas

Viktoriia E. Babicheva|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2017

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、天然の超ひずみ材料である六方晶窒化ホウ素（hBN）を用いて、多極子共鳴を励起する効率的なサブ波長光学アンテナを構築する手法を提案している。特に、電気四重極子モードと磁気双極子モードをサポートし、共鳴 Kerker 効果により方向性散乱とほぼゼロの反射を実現する。研究では、hBNナノ粒子アレイの格子周期が、波長 d、d/2、d/3 などに相当するチューナブルで狭帯域の共鳴を可能にし、光と物質の相互作用を強化できることが示された。

ABSTRACT

We propose to use optical antennas made out of natural hyperbolic material hexagonal boron nitride (hBN), and we demonstrate that this medium is a promising alternative to plasmonic and all-dielectric materials for realizing efficient subwavelength scatterers and metasurfaces based on them. We theoretically show that particles out of hyperbolic medium possess different resonances enabled by the support of high-k waves and their reflection from the particle boundaries. Among those resonances, there are electric quadrupole excitations, which cause magnetic resonance of the particle similar to what occurs in high-refractive-index particles. Excitations of the particle resonances are accompanied by the drop in the reflection from nanoparticle array to near-zero value, which can be ascribed to resonant Kerker effect. If particles are arranged in the spacer array with period d, narrow lattice resonances are possible at wavelength d, d/2, d/3 etc. This provides an additional degree of control and possibility to excite resonances at the wavelength defined by the array spacing. For the hBN particle with hyperbolic dispersion, we show that the full range of the resonances, including magnetic resonance and a decrease of reflection, is possible.

研究の動機と目的

• 天然の超ひずみ材料、特に六方晶窒化ホウ素（hBN）が、光学アンテナ設計におけるプラズモニック材料や誘電体材料の代替として有効である可能性を調査すること。
• 高波数（high-k）波の支持と境界反射により、hBNナノ粒子内での多極子共鳴（特に電気四重極子および磁気双極子モード）の励起を分析すること。
• hBNナノ粒子アレイにおける共鳴 Kerker 効果を実証し、特定の共鳴条件下で反射がほぼゼロに低下することを示すこと。
• hBNナノ粒子の周期的配置が、波長 d、d/2、d/3 などに相当する格子共鳴を励起できることを明らかにし、散乱特性の追加的制御を可能にすること。
• hBNが、方向性およびチューナブルな光学応答を示す効率的でサブ波長の散乱体およびメタサーフェスの実現に有効なプラットフォームであることを確立すること。

提案手法

• 全波電磁界シミュレーションを用いた球形および球形に近いhBNナノ粒子における光学的応答の理論的モデリング。
• 散乱場の多極子分解を用いて、散乱スペクトルへの多極子寄与（電気双極子、電気四重極子、磁気双極子）を分析。
• 高波数（high-k）波の励起を可能にするhBNの超ひずみ分散の調査。これにより、高次多極子の励起が可能となる。
• 異なる格子周期 d を持つhBNナノ粒子アレイの反射スペクトルを調査し、d、d/2、d/3 などに相当する格子共鳴を同定。
• Kerker効果の枠組みを用いて、特定の共鳴条件下での後方散乱の抑制を解釈。
• 効率性およびモード設計の観点から、hBNの共鳴行動を従来のプラズモニック材料および高屈折率誘電体材料と比較して分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 hBNの超ひずみ分散および高波数（high-k）波の伝播により、電気四重極子および磁気双極子共鳴が可能になるか。
• RQ2 hBNナノ粒子アレイにおいて、共鳴 Kerker 効果がどの程度実現可能であり、特定の共鳴条件下で後方反射がほぼゼロに低下するか。
• RQ3 hBNナノ粒子アレイの格子周期 d が、d、d/2、d/3 などに相当する狭帯域の格子共鳴の励起にどのように影響を与えるか。
• RQ4 hBNが、効率的でサブ波長の光学アンテナを実現するにあたり、プラズモニック材料および全誘電体材料に比べてどのような利点を提供するか。
• RQ5 hBN粒子内の多極子共鳴を設計することで、方向性散乱および強化された光と物質の相互作用を実現できるか。

主な発見

• hBNナノ粒子は、高波数（high-k）波の励起と境界反射により、強い電気四重極子および磁気双極子共鳴を支持し、高屈折率誘電体粒子と類似した磁気的応答を示す。
• hBNナノ粒子アレイでは共鳴 Kerker 効果が観測され、特定の共鳴条件下で反射がほぼゼロに低下しており、強い方向性散乱を示している。
• hBNナノ粒子を周期的配置すると、波長 d、d/2、d/3 などに相当する格子共鳴が発生し、共鳴周波数の追加的制御が可能となる。
• 1つのhBNナノ粒子内で、磁気双極子共鳴および反射の抑制という、あらゆる共鳴モードを実現できることを示しており、多機能性が裏付けられた。
• 理論的分析により、hBNは、設計可能な光学応答を示すサブ波長の散乱体およびメタサーフェスのための有望な代替材料であることが確認された。
• 多極子分解により、hBN粒子における磁気共鳴の主因が電気四重極子励起であることが判明し、高屈折率誘電体系と類似した挙動を示している。