[論文レビュー] Quasimode expansion technique for light-matter interactions in nanoplasmonics

Rong-Chun Ge, Philip Trøst Kristensen+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2013

Mechanical and Optical Resonators参考文献 2被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、ダイソン方程式を用いて正則化された準正規モードを導出することで、古典的および量子ナノプラズモニクスにおける光-物質相互作用をモデル化する準モード展開技術を提案する。この手法により、2 nm から 5 µm の距離における金属ナノ共鳴子の近接に位置する電気双極子発光子の自発的崩壊率および遠方場放射の正確で効率的な計算が可能となり、従来の準モードアプローチにおける発散問題を克服する。

ABSTRACT

We introduce a powerful and intuitive technique for modeling light-matter interactions in classical and quantum nanoplasmonics. A quasinormal mode expansion of the transverse Green tensor provides efficient and accurate approximations for the spontaneous decay rate and far field propagation from dipole oscillators located at various positions (2 nm to 5 microns) from metallic nano-resonators. The crucial elements are new, regularized quasimode fields that are derived from the rigorous but divergent quasimodes of these leaky, dispersive resonators, using a Dyson equation.

研究の動機と目的

• ナノプラズモニクス系における光-物質相互作用を、高い精度と効率でモデル化するための堅牢な手法を開発すること。
• 漏れ出し・分散性を示す共鳴子に対して生じる従来の準モード展開における発散問題を解消すること。
• 金属ナノ共鳴子からの距離が 2 nm から 5 µm の範囲で変化する電気双極子発光子の自発的崩壊率および遠方場放射の正確な計算を可能にすること。
• 古典的および量子ナノプラズモニクス応用に適した物理的に直感的かつ計算的に取り扱いやすいフレームワークを提供すること。

提案手法

• 本手法は、ナノプラズモニクス系における電磁界を記述するため、横方向グリーンテンソルの準正規モード展開を採用する。
• 発散的であるがゆえに数学的に不成立となる準正規モードを、ダイソン方程式を用いて正則化した準モード場を導入することで、数学的・物理的整合性を確保する。
• 正則化プロセスにより発散が除去されつつ、漏れ出し・分散性共鳴子の本質的物理を保持する。
• 本手法により、ナノ共鳴子の相対的位置にかかわらず、電気双極子発光子の自発的崩壊率の効率的かつ正確な近似が可能となる。
• このアプローチは、近場（2 nm）から遠方場（5 µm）に至る広範な発光子-共鳴子距離に適用可能である。
• 本手法は、共鳴子の分散および放射損失を体系的に取り入れるダイソン方程式の解に裏打ちされている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 漏れ出し・分散性ナノプラズモニクス共鳴子における発散的準モード展開を、物理的に意味のある結果を得られるように正則化する方法は何か？
• RQ2 本準モード展開技術は、金属ナノ共鳴子からの距離が異なる電気双極子発光子の自発的崩壊率を予測する際に、どの程度の精度と効率を示すか？
• RQ3 本手法は、複雑なナノプラズモニクス環境下における電気双極子発光子の遠方場放射パターンをどの程度正確に記述できるか？
• RQ4 本アプローチは、古典的および量子ナノプラズモニクスの両領域に一貫して適用可能か？
• RQ5 ダイソン方程式は、光-物質相互作用計算に用いる安定かつ正確な準モード表現を実現するために果たす役割は何か？

主な発見

• 正則化された準モード場は、標準的な準モード展開に見られる発散を解消した、安定的かつ正確な横方向グリーンテンソルの表現を提供する。
• 本手法により、金属ナノ共鳴子から 2 nm から 5 µm の距離に位置する電気双極子発光子の自発的崩壊率を正確に計算可能である。
• 遠方場放射パターンは、準モード展開を用いて正確に捉えることができ、放射領域における本手法の予測力の高さが示された。
• ダイソン方程式に基づく正則化により、強い分散性および放射損失が存在する状況でも、準モード場が物理的に整合的であることが保証された。
• 近場および遠方場設定の両方において、高い計算効率を維持しながらも、高い精度を達成した。
• 本手法は、古典的および量子ナノプラズモニクス系の両方へ適用可能であり、光-物質相互作用の統合的モデル化を可能にした。