[논문 리뷰] Mirror-Symmetric Heterogeneous Resonant Nanostructures: Extrinsic Chirality and Spin-Polarized Scattering

Sergey Nechayev, Paweł Woźniak외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 11.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 69인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 기판 위에 놓인 거울 대칭을 가진 금-실리콘 구 이중체에서 이질성, 기울인 입사각, 기판에 의한 대칭성 파괴의 상호작용으로 인해 외재적 광학적 비대칭성이 발생함을 보여준다. k-공간 편광 측정법과 결합된 두극자 모델을 사용하여 원형 분산과 원형 이형성의 기원이 횡방향으로 회전하는 두극자 및 SRR 모드에서 발생하는 스핀-편광 산란임을 규명하였으며, 이는 스펙트럼적으로 조절 가능하고 편광 제어가 가능한 광학 소자를 설계하는 데 기여한다.

ABSTRACT

We investigate a geometrically symmetric gold-silicon sphere heterodimer and reveal its extrinsic chiroptical response caused by the interaction with a substrate. The chiroptical response is obtained for oblique incidence owing to the coalescence of extrinsic chirality, heterogeneity and substrate induced break of symmetry. To quantify the chiral response we utilize k-space polarimetry. We elucidate the physics of the involved phenomena by considering scattering properties of the heterodimer in free space and find that incident linearly polarized light is scattered in a spin-split fashion. We corroborate our finding with a coupled dipole model and find that the spin-split behavior originates from the heterogeneity of the structure. This spin-split scattering, combined with the substrate-induced break of symmetry, leads to an extrinsic chiroptical response. Our work sheds new light on the potential and optical properties of heterogeneous nanostructures and paves the way for designing spectrally tunable polarization controlled heterogeneous optical elements.

연구 동기 및 목표

• 기판 위에 놓인 기하학적으로 대칭적이지만 이질적인 금-실리콘 구 이중체의 비대칭 광학적 반응을 조사한다.
• 기판 상호작용으로 인한 대칭성 파괴로 인해 발생하는 비자기적 나노구조물의 외재적 비대칭성의 물리적 기원을 규명한다.
• 확장된 k-공간 편광 측정법을 사용하여 원형 분산(CD)과 원형 이형성(CB)과 같은 비대칭 광학 반응을 정량화한다.
• 횡방향으로 회전하는 두극자 및 SRR 모드에서 발생하는 스핀-편광 산란이 비대칭 신호를 생성하는 데 기여하는 바를 밝힌다.
• 이종 나노스케일 시스템을 활용하여 스펙트럼적으로 조절 가능하고 편광 선택성이 있는 메타표면을 설계할 잠재력을 입증한다.

제안 방법

• 기울인 입사각 조건에서 이중체-기판 시스템의 투과도 및 비대칭 광학적 성질을 특성화하기 위해 확장된 k-공간 편광 측정법을 적용하였다.
• 전기 및 자성 두극자 모멘트를 포함한 개별 나노입자의 산란을 시뮬레이션하기 위해 결합된 두극자 모델(CDM)을 사용하였다.
• 기판에 의한 대칭성 파괴와 강화된 전방 산란을 모델링하기 위해 다층 구조의 그린 함수를 통합하였다.
• 고차 모드(예: 쌍극자)에 대해 CDM 결과를 검증하기 위해 다극자 전개(EME)를 참고로 사용하였다.
• 유도된 전기 및 자성 두극자 모드의 상대 위상과 편극성(헬리시티)을 분석하여 스핀 분리 산란 거동을 규명하였다.
• 모드의 헬리시티(동일 또는 반대) 기반으로 스펙트럼 영역을 분류하여 dissymmetry 요인 ΔTE의 변화를 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이질성과 기판에 의한 대칭성 파괴의 조합이 거울 대칭을 가진 이중체에서 외재적 비대칭성을 어떻게 유도하는가?
• RQ2 횡방향으로 회전하는 두극자 및 SRR 모드에서 발생하는 스핀-편광 산란이 비대칭 광학 반응을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 전기 및 자성 두극자 모드 간의 스펙트럼 상호작용이 원형 분산과 원형 이형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기판은 원형 편광 빛이 전방 산란되는 선형 편광 빛으로의 결합을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 기하학적으로 대칭적이며 비자기적인 이중체가 기울인 입사각 조건에서 강한, 조절 가능한 비대칭 광학 반응을 나타낼 수 있는가?

주요 결과

• 이중체-기판 시스템은 기울인 입사각 조건에서만 강한 외재적 비대칭성을 나타내며, 이는 이질성, 외재적 비대칭성, 기판에 의한 대칭성 파괴의 공존에 기인한다.
• 원형 분산(CD)과 원형 이형성(CB)이 크게 향상되었으며, CD는 570–640 nm 범위(영역 I)에서 최대 0.4, 710–800 nm(영역 III)에서는 0.3에 도달하였다.
• 횡방향으로 회전하는 두극자 및 SRR 모드에서 발생하는 선형 편광 빛의 스핀-편광 산란은 영역 II(640–710 nm)에서 반대 헬리시티를 띠어 dissymmetry 요인 ΔTE를 감소시켰다.
• 결합된 두극자 모델은 비대칭 반응을 정확히 재현하였으며, Si 나노입자에서의 쌍극자 여기로 인해 570–640 nm 범위에서만 약간의 오차가 있었다.
• 기판에 의한 비대칭성은 특정 헬리시티를 가진 원형 편광 빛의 전방 산란을 강화하여 비영이 아닌 원형 형광(CF) 생성을 설명한다.
• 이 시스템은 강한 선형 분산 및 이형성을 보이며, 이는 고유의 이방성을 나타내며 입사한 원형 편광 빛을 산란된 선형 편광 빛으로 효율적으로 변환할 수 있음을 시사한다.