[論文レビュー] Seeing the unseen: observation of an anapole with dielectric nanoparticles

Andrey E. Miroshnichenko, Andrey B. Evlyukhin+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 26被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、幾何的チューニングにより電気双極子モードとドーナツ型双極子モードのスペクトル的重ね合わせを実現することで、誘電体ナノ粒子において放射なしあねぽールモードを実験的に示した。主な結果として、遠方場散乱の顕著な谷と特徴的な近方場分布が観測され、可視周波数帯におけるあねぽール状態の存在が確認された。

ABSTRACT

Nonradiating current configurations attract attention of physicists for many years as possible models of stable atoms in the field theories. One intriguing example of such a nonradiating source is known as anapole (which means without poles in Greek), and it was originally proposed by Yakov Zeldovich in nuclear physics. Recently, an anapole was suggested as a model of elementary particles describing dark matter in the Universe. Classically, an anapole mode can be viewed as a composition of electric and toroidal dipole moments, resulting in destructive interference of the radiation fields due to similarity of their far-field scattering patterns. Here we demonstrate experimentally that dielectric nanoparticles can exhibit a radiationless anapole mode in visible. We achieve the spectral overlap of the toroidal and electric dipole modes through a geometry tuning, and observe a highly pronounced dip in the far-field scattering accompanied by the specific near-field distribution associated with the anapole mode. The anapole physics provides a unique playground for the study of electromagnetic properties of nontrivial excitations of complex fields, reciprocity violation, and Aharonov-Bohm like phenomena at optical frequencies.

研究の動機と目的

• 誘電体ナノ粒子における非放射的あねぽールモードが可視周波数帯で実験的に証明されること。
• ナノ粒子の幾何的設計を用いてドーナツ型双極子モードと電気双極子モードのスペクトル的重ね合わせを達成すること。
• あねぽールモードに特徴的な遠方場散乱の谷と近方場分布を観測すること。
• あねぽールモードが、非自明な電磁励起状態および対称性の破れ現象を研究するための実用的プラットフォームとして有効であることを検証すること。
• あねぽール状態の特徴的な性質を活用して、低損失ナノフォトニクスおよび量子フォトニクス分野における応用を探索すること。

提案手法

• 電気双極子モードとドーナツ型双極子モードの両方を支持するように幾何的非対称性を調整した誘電体ナノ粒子の設計およびプロセス加工。
• 有限差分時間法（FDTD）を用いたシミュレーションにより、電気双極子モードとドーナツ型双極子モードのスペクトル的重ね合わせを予測および最適化。
• 暗視野顕微鏡を用いた遠方場散乱パターンの実験的特性評価により、あねぽールモードを示す散乱の谷を検出。
• 近場走査光学顕微鏡（NSOM）を用いた近方場分布のマッピングにより、あねぽール励起の局在化および対称性を確認。
• 電気双極子場とドーナツ型双極子場の干渉を分析し、遠方場における破壊的干渉を確認。
• 全放射パワーのキャンセルが確認されつつも強い内部電場閉じ込めが維持されることから、あねぽール条件の検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 可視周波数帯における誘電体ナノ粒子で非放射的あねぽールモードを実験的に実現できるか？
• RQ2 幾何的チューニングをどのように用いることで電気双極子モードとドーナツ型双極子モードのスペクトル的重ね合わせを達成できるか？
• RQ3 誘電体ナノ構造におけるあねぽールモードの遠方場散乱および近方場分布の特徴的なシグネチャーは何か？
• RQ4 あねぽールモードは、古典電磁力学における非放射的電流配置と整合する性質をどの程度示すか？
• RQ5 あねぽールモードは、光学系におけるアハロノフ＝ボーム効果に類似した効果および対称性の破れの観測にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 電気双極子モードとドーナツ型双極子モードの間での破壊的干渉により、放射の抑制が生じる遠方場散乱スペクトルに顕著な谷が観測された。
• 近方場分布は特徴的なドーナツ型パターンを示し、外部放射が最小限に抑えられた局在的あねぽール励起の存在が確認された。
• ナノ粒子形状の精密な幾何的制御により、電気双極子モードとドーナツ型双極子モードのスペクトル的重ね合わせが達成され、あねぽール条件が実現された。
• あねぽールモードはナノ粒子内部で強い電場閉じ込めを示しながらも、遠方場での放射が無視できるほど小さく、理論的予測と整合した。
• 実験結果により、可視周波数帯における誘電体ナノ構造内でのあねぽールが非放射的電磁状態として成立することが裏付けられた。
• 本研究は、設計された誘電体ナノ粒子を用いて、対称性の破れやアハロノフ＝ボーム効果に類似した現象といった、特異な電磁現象を観測する可能性を示した。