[論文レビュー] Simultaneous mapping of the electric and magnetic photonic local density of states above dielectric nanostructures using rare-earth doped films

Peter R. Wiecha, Clément Majorel+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2018

Photonic and Optical Devices被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、希土類元素ドーピング薄膜を用いた簡単な遠方技術を提示し、誘電体ナノ構造上での光子的局所状態密度（LDOS）の電場成分と磁場成分を同時にマッピングする。希土類イオンにおける電気的および磁気的ドーピング遷移の強度が類似していることを利用することで、回折限界分解能を有する空間分解能が高く、信号対雑音比（SNR）の高い測定が可能となり、シリコンナノロッドおよびデュアモードにおいて電場および磁場近接場寄与の顕著な分離が明らかになった。

ABSTRACT

We propose a simple experimental technique to separately map the electric and magnetic components of the photonic local density of states (LDOS) of dielectric nanostructures, using a few nanometer thin film of rare-earth ion doped clusters. Rare-earth ions provide electric and magnetic dipole transitions of similar magnitude. By recording the photoluminescence from the deposited layer excited by a focused laser beam, we are able to simultaneously map the electric and magnetic LDOS of individual nanostructures. In spite of being a diffraction-limited far-field method with a spatial resolution of a few hundred nanometers, our approach appeals by its simplicity and high signal-to-noise ratio. We demonstrate our technique at the example of silicon nanorods and dimers, in which we find a significant separation of electric and magnetic near-field contributions. Our method paves the way towards the efficient and rapid characterization of the electric and magnetic optical response of complex photonic nanostructures.

研究の動機と目的

• 誘電体ナノ構造における光子的局所状態密度（LDOS）の電場成分と磁場成分を同時に測定する簡単な実験的手法を開発すること。
• 複雑なフォトニクス系において、電場および磁場近接場寄与を区別する課題を克服すること。
• 近場顕微鏡を必要とせず、ナノ構造の光学的応答を迅速かつ信号対雑音比（SNR）の高い方法で特徴付けること。

提案手法

• ナノ構造の表面に希土類イオンドーピングクラスタを含む数ナノメートルの薄膜を堆積させ、局所的な電磁界環境のナノスケールプローブとして機能させる。
• レーザー光ビームを焦点的に照射し、発生する光励起発光を収集することで、局所状態密度をプローブする。
• 希土類イオンにおける電気的および磁気的ドーピング遷移のオシレーター強度が同等であるため、電場および磁場LDOS寄与を直接区別可能である。
• 従来の遠方顕微鏡を用いることで、回折限界分解能（数100ナノメートル程度）に制限されるが、高い信号対雑音比（SNR）を達成する。
• 発光の偏光およびスペクトル特性を分析することで、電場および磁場成分のLDOSを同時に分離・マッピングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回折限界の遠方測定法を用いて、誘電体ナノ構造における電場および磁場LDOS成分を区別できるか？
• RQ2 シリコンナノロッドおよびデュアモードにおいて、電場および磁場近接場寄与がどれほど共存し、分離するか？
• RQ3 電気的および磁気的ドーピング遷移の強度が同等の希土類イオンは、両方のLDOS成分を同時に測定可能な二重センシングプローブとして機能できるか？
• RQ4 単純な遠方装置を用いた場合でも、信号対雑音比（SNR）が十分に高いと、信頼性のあるマッピングが可能か？
• RQ5 この手法により、近場装置を必要とせず、複雑なフォトニクスナノ構造を迅速かつ効率的に特徴付けられるか？

主な発見

• 本手法は、1回の遠方測定でシリコンナノロッドおよびデュアモードにおけるLDOSの電場成分と磁場成分を明確に解離できた。
• ナノ構造内では、電場および磁場近接場寄与の間で顕著な空間的分離が観察され、局所的電場分布が明確に異なることが示された。
• 回折限界に制限されるものの、高い信号対雑音比（SNR）を達成しており、標準的な光学顕微鏡を用いた信頼性の高いマッピングが可能となった。
• 電気的および磁気的ドーピング遷移強度が同等の希土類イオンを用いることで、2つのLDOS成分を直接的かつ明確に区別できるようになった。
• 本手法は、複雑な近場技術に代わる迅速かつ実験的に容易な代替手法を、フォトニクスナノ構造の特徴付けに提供した。