[논문 리뷰] Plasmonic Bound States in the Continuum to Tailor Light-Matter Coupling

Andreas Aigner, Andreas Tittl외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 21.

Plasmonic and Surface Plasmon Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 평면 외 대칭성 붕괴를 통해 정상 상태의 연속체 내에 고품질 인자(최대 Q = 180)를 지닌 유사한 결합 상태(BICs)를 지닌 3D 레이저-나노프린트 플라스모닉 나노핀 메타표면을 제시한다. 나노핀 메타원자의 삼각형 각도를 조절함으로써 연구자들은 복사 손실 대 내재 손실 비율을 정밀하게 제어하여 픽셀 기반 분자 센싱에서 과도, 임계, 과잉 커플링 영역에 접근할 수 있다. 이는 분석물에 의해 유도된 음성, 영, 양성 조절을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Plasmon resonances play a pivotal role in enhancing light-matter interactions in nanophotonics, but their low-quality factors have hindered applications demanding high spectral selectivity. Even though symmetry-protected bound states in the continuum with high-quality factors have been realized in dielectric metasurfaces, impinging light is not efficiently coupled to the resonant metasurfaces and is lost in the form of reflection due to low intrinsic losses. Here, we demonstrate a novel design and 3D laser nanoprinting of plasmonic nanofin metasurfaces, which support symmetry-protected bound states in the continuum up to 4th order. By breaking the nanofins out-of-plane symmetry in parameter space, we achieve high-quality factor (up to 180) modes under normal incidence. We reveal that the out-of-plane symmetry breaking can be fine-tuned by the triangle angle of the 3D nanofin meta-atoms, opening a pathway to precisely control the ratio of radiative to intrinsic losses. This enables access to the under-, critical-, and over-coupled regimes, which we exploit for pixelated molecular sensing. Depending on the coupling regime we observe negative, no, or positive modulation induced by the analyte, unveiling the undeniable importance of tailoring light-matter interaction. Our demonstration provides a novel metasurface platform for enhanced light-matter interaction with a wide range of applications in optical sensing, energy conversion, nonlinear photonics, surface-enhanced spectroscopy, and quantum optics.

연구 동기 및 목표

• 나노광학 장치의 스펙트럼 선택성에 제한을 주는 전통적인 플라스모닉 공진의 낮은 품질 인자 문제를 해결하기 위해.
• 대체로 대칭성 제약으로 인해 접근이 어려운 정상 입사 조건 하에서 고Q 플라스모닉 연속체 내 결합 상태(BICs)를 효율적으로 자극하기 위해.
• 플라스모닉 메타표면에서 복사 손실 및 내재 손실 채널을 정밀하게 제어할 수 있는 설계 전략을 개발하기 위해.
• 일체의 플랫폼을 사용하여 과도, 임계, 과잉 커플링 영역을 조절 가능한 테이너블 빛-물질 상호작용 영역을 실현함으로써 고도화된 센싱 응용을 위해.
• 센싱, 에너지 변환 및 양자 광학 분야에 응용 가능한 높은 스펙트럼 및 공간 제어 능력을 갖춘 3D 나노프린트 플라스모닉 메타표면 플랫폼을 실현하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 메타원자의 삼각형 각도를 정밀하게 제어할 수 있도록 3D 레이저 나노프린팅을 활용하여 플라스모닉 나노핀 메타표면을 제작한다.
• 나노핀 구조에서 평면 외 대칭성 붕괴를 설계하여 디세너지 상태를 해소하고 정상 입사 조건 하에서 고Q BIC 모드를 가능하게 한다.
• 나노핀의 삼각형 각도를 복사 손실 대 내재 손실 비율을 제어하는 가변 매개변수로 활용함으로써 커플링 영역을 조절한다.
• 이론적 모델링 및 시뮬레이션을 통해 다양한 기하학적 매개변수에 따른 Q 인자 및 커플링 행동을 예측한다.
• 실험적 특성 분석을 통해 고Q BIC 모드(최대 Q = 180) 존재를 확인하고 과도, 임계, 과잉 커플링 영역 간 전이를 검증한다.
• 분석물에 의해 유도된 투과도 조절을 측정함으로써 픽셀 기반 분자 센싱을 구현하였으며, 이는 커플링 영역에 따라 음성에서 양성으로 변화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대칭성 보호 설계를 통해 정상 입사 조건 하에서 고품질 인자 플라스모닉 연속체 내 결합 상태(BICs)를 달성할 수 있는가?
• RQ2 플라스모닉 메타표면에서 복사 손실 및 내재 손실 채널을 독립적으로 조절하여 빛-물질 상호작용을 제어할 수 있는가?
• RQ3 평면 외 기하학적 비대칭성은 플라스모닉 나노구조에서 고Q BIC 모드를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 나노핀 기하학을 통해 커플링 영역(과도, 임계, 과잉 커플링)을 실험적으로 접근하고 제어할 수 있는가?
• RQ5 커플링 영역이 분자 흡착에 의한 플라스모닉 메타표면의 반응에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제작된 플라스모닉 나노핀 메타표면은 품질 인자가 최대 180에 이르는 연속체 내 결합 상태를 지니며, 이는 스펙트럼 선택성을 크게 향상시킨다.
• 나노핀의 삼각형 각도 조절을 통한 평면 외 대칭성 붕괴는 복사 손실 대 내재 손실 비율 제어를 가능하게 하여 모든 세 가지 커플링 영역에 접근할 수 있도록 한다.
• 시스템은 커플링 영역에 따라 음성, 영, 양성 조절이 가능한 분석물에 의해 유도된 투과도 조절을 보여주며, 조절 가능한 빛-물질 상호작용을 확인한다.
• 3D 레이저 나노프린팅은 높은 구조 정밀도와 재현성을 갖춘 복잡한 플라스모닉 메타원자의 정밀 제작을 가능하게 한다.
• 공간적으로 주소 지정 가능한 커플링 영역을 갖춘 픽셀 기반 분자 센싱을 실현하여 레이블 프리 바이오센싱의 새로운 능력을 제공한다.
• 결과는 비선형 포토닉스, 표면 증폭 스펙트로스코피 및 양자 광학 분야에 응용 가능한 새로운 유형의 플라스모닉 메타표면을 확립한다.