[論文レビュー] Plasmonic Bound States in the Continuum to Tailor Light-Matter Coupling

Andreas Aigner, Andreas Tittl+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、垂直方向の対称性の破れを介して、高品質因子（最大 Q = 180）の連続体内の束縛状態（BIC）を支持する3次元レーザー・ナノプリント法を用いたプラズモン的ナノフィンメタサーフェスを提示する。ナノフィンの三角形の角度を調整することにより、放射損失と内部損失の比を精密に制御し、ピクセル単位の分子センシングにおける、不足励起、臨界、過剰励起の各状態にアクセス可能となる。

ABSTRACT

Plasmon resonances play a pivotal role in enhancing light-matter interactions in nanophotonics, but their low-quality factors have hindered applications demanding high spectral selectivity. Even though symmetry-protected bound states in the continuum with high-quality factors have been realized in dielectric metasurfaces, impinging light is not efficiently coupled to the resonant metasurfaces and is lost in the form of reflection due to low intrinsic losses. Here, we demonstrate a novel design and 3D laser nanoprinting of plasmonic nanofin metasurfaces, which support symmetry-protected bound states in the continuum up to 4th order. By breaking the nanofins out-of-plane symmetry in parameter space, we achieve high-quality factor (up to 180) modes under normal incidence. We reveal that the out-of-plane symmetry breaking can be fine-tuned by the triangle angle of the 3D nanofin meta-atoms, opening a pathway to precisely control the ratio of radiative to intrinsic losses. This enables access to the under-, critical-, and over-coupled regimes, which we exploit for pixelated molecular sensing. Depending on the coupling regime we observe negative, no, or positive modulation induced by the analyte, unveiling the undeniable importance of tailoring light-matter interaction. Our demonstration provides a novel metasurface platform for enhanced light-matter interaction with a wide range of applications in optical sensing, energy conversion, nonlinear photonics, surface-enhanced spectroscopy, and quantum optics.

研究の動機と目的

• ナノフォトニクスデバイスにおけるスペクトル選択性を制限する従来のプラズモン的共鳴の低品質因子を克服すること。
• 通常入射光下で高Qプラズモン的連続体内の束縛状態（BIC）を効率的に励起できることを実現すること、これは通常、対称性の制約により到達不可能である。
• プラズモン的メタサーフェスにおける放射損失および内部損失チャネルの精密な制御を可能にする設計戦略を開発すること。
• 1つのプラットフォームを用いて、下位励起、臨界、過剰励起の3つの結合状態を制御可能な、高度なセンシングアプリケーションに向けた可変光-物質結合状態を実証すること。
• センシング、エネルギー変換、量子オプティクスの分野に応用可能な、高スペクトル的および空間的制御性を有する3次元ナノプリント法を用いたプラズモン的メタサーフェスプラットフォームを実現すること。

提案手法

• 著者らは、メタアトムの三角形の角度を含む、幾何形状を精密に制御したプラズモン的ナノフィンメタサーフェスを3次元レーザー・ナノプリント法で作製する。
• ナノフィン構造における垂直方向の対称性の破れを設計することで、簡並びを解除し、通常入射光下でも高Q BICモードを実現する。
• ナノフィンの三角形の角度を、放射損失と内部損失の比を制御するための可変パラメータとして用いることで、結合状態を調整する。
• 理論的モデリングとシミュレーションを用いて、異なる幾何パラメータにおけるQ因子と結合挙動を予測する。
• 実験的特性評価により、高Q BICモード（最大 Q = 180）の存在が確認され、下位励起、臨界、過剰励起状態の間の遷移が検証された。
• 吸着体誘発の透過変調を測定することで、ピクセル単位の分子センシングを実証し、結合状態に応じて変調が負、ゼロ、正に変化することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 通常入射光下で、対称性保護設計を用いて高品質因子プラズモン的連続体内の束縛状態を達成できるか？
• RQ2 プラズモン的メタサーフェスにおける放射損失および内部損失チャネルを独立して調整することで、光-物質結合を制御できるか？
• RQ3 垂直方向の幾何的非対称性が、プラズモン的ナノ構造における高Q BICモードの実現に果たす役割は何か？
• RQ4 ナノフィンの幾何形状を介して、結合状態（下位励起、臨界、過剰励起）を実験的にアクセス可能かつ制御可能か？
• RQ5 結合状態が、センシングアプリケーションにおける分子吸着応答に与える影響は何か？

主な発見

• 作製されたプラズモン的ナノフィンメタサーフェスは、品質因子が最大180に達する連続体内の束縛状態を支持しており、スペクトル選択性が顕著に向上している。
• ナノフィンの三角形の角度を調整することで、垂直方向の対称性の破れが、放射損失対内部損失比の制御を可能にし、3つの結合状態すべてへのアクセスを実現した。
• 吸着体誘発の透過変調が、結合状態に応じて負、ゼロ、正に変化することを確認し、可変光-物質相互作用の実証がなされた。
• 3次元レーザー・ナノプリント法により、高い構造的忠実度と再現性を有する複雑なプラズモン的メタアトムの精密なプロセスが可能となった。
• 空間的にアドレス可能な結合状態を有するピクセル単位の分子センシングが実現され、ラベルフリー生体センシングの新たな能力を提供した。
• 本研究の結果は、非線形フォトニクス、表面増強分光法、量子オプティクス分野における、新たなクラスのプラズモン的メタサーフェスを確立した。