[논문 리뷰] Simultaneous mapping of the electric and magnetic photonic local density of states above dielectric nanostructures using rare-earth doped films

Peter R. Wiecha, Clément Majorel외 8명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 29.

Photonic and Optical Devices인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 유 rare-earth 원소 도핑된 박막을 사용하여 유전체 나노구조물 위에서 광학적 국소 밀도 상태(LDOS)의 전기적 및 자석 성분을 동시에 맵핑하는 단순한 원거리 기술을 제시한다. 희토류 이온에서 유사한 강도를 가지는 전기적 및 자석적 듀플렉스 전이를 활용함으로써, 분해능이 회절에 의해 제한되는 해상도를 가지면서도 고신호대잡음비(SNR) 측정이 가능해지며, 실리콘 나노막대 및 이중체에서 전기적 및 자석적 근접장 기여가 상당히 분리되어 있음을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 유전체 나노구조물에서 광학적 국소 밀도 상태(LDOS)의 전기적 및 자석적 성분을 동시에 측정할 수 있는 단순한 실험적 방법을 개발하는 것.
• 복잡한 광학 시스템에서 전기적 및 자석적 근접장 기여를 구분하는 데 도전하는 문제를 해결하는 것.
• 근접장 현미경 기술이 필요 없이 나노구조물의 온도 반응을 신속하고 고신호대잡음비로 특성화할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 유전체 나노구조물 위에 희토류 이온 도핑 클러스터로 이루어진 몇 나노미터 두께의 박막을 증착하여 국소 전자기 환경의 나노스케일 프로브로 기능시킨다.
• 박막은 집중된 레이저 빔으로 자극받으며, 발생하는 광발광이 수확되어 국소 밀도 상태를 탐지한다.
• 희토류 이온 내 전기적 및 자석적 듀플렉스 전이의 온도계 강도가 유사하므로, 전기적 및 자석적 LDOS 기여를 직접적으로 구분할 수 있다.
• 기존의 원거리 현미경을 사용하여, 회절에 의해 제한되는 해상도(~수백 나노미터)를 가지지만 높은 신호대잡음비를 달성한다.
• 방출된 발광의 편광 및 스펙트럼 특성을 분석함으로써, 전기적 및 자석적 LDOS 성분을 동시에 분리하고 맵핑한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회절에 의해 제한되는 원거리 방법을 사용하여 유전체 나노구조물에서 광학적 LDOS의 전기적 및 자석적 성분을 구별할 수 있는가?
• RQ2 실리콘 나노막대 및 이중체에서 전기적 및 자석적 근접장 기여가 얼마나 공존하고 분리되는가?
• RQ3 유사한 전기적 및 자석적 듀플렉스 전이 강도를 가지는 희토류 이온이 두 LDOS 성분을 위한 이중 센서 프로브로 기능할 수 있는가?
• RQ4 단순한 원거리 장치를 사용하여 신뢰할 수 있는 맵핑을 위한 신호대잡음비가 충분한가?
• RQ5 이 방법은 근접장 장비 없이도 복잡한 광학 나노구조물의 신속하고 효율적인 특성화를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 이 방법은 단일 원거리 측정을 통해 실리콘 나노막대 및 이중체에서 광학적 LDOS의 전기적 및 자석적 성분을 성공적으로 분리해 냈다.
• 나노구조물 내에서 전기적 및 자석적 근접장 기여 간에 상당한 공간적 분리가 관찰되어, 각각의 국소 전장 분포가 다름을 시사한다.
• 회절에 의해 제한되지만 고신호대잡음비를 달성하여, 표준 광학 현미경을 사용해도 신뢰할 수 있는 맵핑이 가능하다.
• 유사한 전기적 및 자석적 듀플렉스 전이 강도를 가지는 희토류 이온의 사용은 두 LDOS 성분 간의 직접적이고 명확한 구분을 가능하게 한다.
• 이 접근법은 복잡한 근접장 기술에 대한 빠르고 실험적으로 접근 가능한 대안을 제공한다.