[논문 리뷰] Broadband enhanced chirality with tunable response in hybrid plasmonic helical metamaterials

Ufuk Kılıç, Matthew Hilfiker외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 27.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 64인용 수 51

한 줄 요약

이 논문은 기울인 각도 증착(GALD)를 통해 제작된 하이브리드 플라스모닉 나선형 메타물질에서 광역, 조정 가능, 초광역의 코리옵티컬 반응을 제시한다. 유기물(Si)과 플라스모닉(Ag) 나선형 하위세그먼트를 통합함으로써 저자들은 가시광선에서 자외선 스펙트럼에 걸쳐 전송에서 최대 1.98에 이르는 보고된 바 중 가장 높은 쿤의 비대칭 인자(g-요인)를 달 đạt하였으며, 이는 이론적 한계인 2에 가까워지고, 기하학적 매개변수와 재료 조성에 의해 조정 가능하다.

ABSTRACT

Designing broadband enhanced chirality is of strong interest to the emerging fields of chiral chemistry and sensing, or to control the spin orbital momentum of photons in recently introduced nanophotonic chiral quantum and classical optical applications. However, chiral light-matter interactions have an extremely weak nature, are difficult to be controlled and enhanced, and cannot be made tunable or broadband. In addition, planar ultrathin nanophotonic structures to achieve strong, broadband, and tunable chirality at the technologically important visible to ultraviolet spectrum still remain elusive. Here, we tackle these important problems by experimentally demonstrating and theoretically verifying spectrally tunable, extremely large, and broadband chiroptical response by nanohelical metamaterials. The reported new designs of all-dielectric and dielectric-metallic (hybrid) plasmonic metamaterials permit the largest and broadest ever measured chiral Kuhn dissymmetry factor achieved by a large-scale nanophotonic structure. In addition, the strong circular dichroism of the presented bottom-up fabricated optical metamaterials can be tuned by varying their dimensions and proportions between their dielectric and plasmonic helical subsections. The currently demonstrated ultrathin optical metamaterials are expected to provide a substantial boost to the developing field of chiroptics leading to significantly enhanced and broadband chiral light-matter interactions at the nanoscale.

연구 동기 및 목표

• 자연적인 나선파형 물질과 전통적인 플라스모닉 구조에서의 내재된 약점과 협대역 성질을 극복하기 위해.
• 가시광선 및 자외선 스펙트럼에서 강력하고 광역적이며 조정 가능한 나선파형 성질을 가진 평판형, 초박판형, 대규모 나노광학 메타물질을 개발하기 위해.
• 하향식, 마스크가 없는 제조 방법(GALD)을 사용하여 실용적인 칩 내 통합이 가능한 나선파형 나노광학 장치를 구현하기 위해.
• 이전의 한계를 뛰어넘는 크기와 스펙트럼 대역폭에서 실험적으로 측정 가능한 고-g-요인 코리옵티컬 반응을 달성하기 위해.

제안 방법

• 기울인 각도 증착(GALD)을 사용하여 유기물(Si)과 플라스모닉(Ag) 재료를 제어된 순차적 증착을 통해 3차원 나선형 메타물질을 제조함으로써 하이브리드 플라스모닉-유기물 나선형을 실현하였다.
• 일반화된 무어 매트릭스 분광학적 굴절률 측정법을 사용하여 전달 및 반사된 원형 편광된 빛을 측정함으로써, 방법 섹션의 식 2를 통해 쿤의 비대칭 인자(g-요인)를 정확하게 계산하였다.
• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 적용하여 근접장 나선파형 분포를 모델링하고 강화된 나선파형 반응의 물리적 기원을 검증하였다.
• 가시광선 및 자외선 스펙트럼에서 나선파형 반응을 조정하기 위해 나선형 터닝 수(1–4)와 Si/Ag 하위세그먼트 비율을 다양하게 조작한 메타물질을 설계하였다.
• 무어 매트릭스 요소(식 S9 및 S10)를 사용하여 전달 기반(g𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠) 및 반사 기반(g𝑅𝑒𝑓) g-요인을 계산하였으며, g𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠 = 2(𝑀14𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠 / 𝑀11𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠)이며, 반사 기반의 경우 동일하게 적용하였다.
• 좌우 편광된 원형 편광 빛에 대한 투과도, 반사도, 흡수도를 측정하고 비교하여 광역 나선파형 반응을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 가시광선 및 자외선 주파수에서 초박판형, 평판형 나노광학 구조에서 광역, 고-g-요인 나선파형 반응을 달성할 수 있는가?
• RQ2 기하학적 및 재료 조성 매개변수를 변화시켜 나선형 메타물질의 코리옵티컬 반응을 스펙트럼적으로 조정할 수 있는가?
• RQ3 하이브리드 플라스모닉-유기물 설계가 순수 유기물 또는 순수 플라스모닉 나선형보다 나선파형 반응을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 굴절률 측정법을 사용하여 쿤의 비대칭 인자(g-요인)를 고정밀도로 실험적으로 측정할 수 있으며, 이는 가시-자외선 범위에서 이전의 한계를 초월하는가?
• RQ5 나선파형 반응은 전달에서 더 강한가, 아니면 반사에서 더 강한가, 그리고 메타물질이 효율적인 나선파형 광학 필터로 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 하이브리드 플라스모닉 Si-Ag 나선형 메타물질은 3.5 eV에서 전달 기반 쿤의 비대칭 인자(g𝑇𝑟𝑎𝑛𝑠)가 최대 1.98에 도달하였으며, 이는 이론적 최대치 ±2에 가까워졌으며, 가시-자외선 범위에서 보고된 바 중 가장 높은 g-요인을 나타낸다.
• 네 번의 터닝을 가진 전적으로 유기물(Si) 나선형 메타물질은 전달에서 g-요인 1.98를 나타내어 광역 스펙트럼 범위에서 강력하고 광역 나선파형 반응을 확인하였다.
• 나선파형 반응은 조정 가능하였으며, 나선형 터닝 수를 증가시킴으로써 Ag 하위세그먼트의 국소 표면 플라스모닉 공진에 의해 g-요인 스펙트럼에 새로운 고리가 나타났다.
• 전달 기반 g-요인이 반사 기반 g-요인보다 현저히 강했으며, 이는 메타물질이 전달에서만 효율적인 나선파형 필터로 작동한다는 것을 시사한다.
• 플라스모닉 하이브리드 구조는 은으로 인한 굴절률 불일치 증가로 인해 전적으로 유기물 구조보다 반사 기반 g-요인이 더 높았지만, 전달이 여전히 나선파형 필터링에 주도적인 역할을 하였다.
• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션은 강력한 나선파형 근접장 분포의 존재를 확인하였으며 실험 결과를 검증하였으며, 강화된 반응이 집합적 광학 밴드 효과와 국소 플라스모닉 공진에 기인함을 연결하였다.