[논문 리뷰] Trapped-mode excitation in all-dielectric metamaterials with loss and gain

Anton V. Hlushchenko, Denis V. Novitsky외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 30.

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics참고 문헌 58인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 비헤르미트형 외란—모든 도체 메타물질에 균형 잡힌 손실과 증폭을 도입함—이 기하학적 대칭성 파괴가 필요 없이 고품질의 고립모드 공진을 유도할 수 있음을 보여준다. 짝을 이룬 실리콘 나노안테나에서 손실과 증폭을 조절함으로써 비대칭적인 구조에서도 경계 상태의 연속성에서의 상태(BICs)의 품질 인자(Q-factor)가 복원되며, 이는 나노광학 응용 분야에서 광학 공진의 동적 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Non-Hermitian photonics based on combining loss and gain media within a single optical system provides a number of approaches to control and generate the flow of light. In this paper, we show that by introducing non-Hermitian perturbation into the system with loss and gain constituents, the high-quality resonances known as trapped modes can be excited without the need to change the symmetry of the unit cell geometry. To demonstrate this idea, we consider a widely used all-dielectric planar metamaterial whose unit cell consists of a pair of rectangular nanoantennas made of ordinal (with loss) and doped (with gain) silicon. Since the quality factor of the trapped-mode resonance can be controlled by changing both spatial symmetry and non-Hermiticity, varying loss and gain allows us to compensate for the influence of asymmetry and restore the quality factor of the localized mode. The results obtained suggest new ways to achieve high-quality resonances in non-Hermitian metamaterials promising for many practical applications in nanophotonics.

연구 동기 및 목표

• 무한대의 품질 인자와 영역사 간섭이 없는 조건에서 대칭적인 모든 도체 메타물질 내 고립모드가 자극되지 않는 제한을 극복하기 위해.
• 비헤르미트형 효과—특히 균형 잡힌 손실과 증폭—이 모든 도체 메타표면에서 고품질 공진을 어떻게 자극하고 제어할 수 있는지 조사하기 위해.
• 기하학적 비대칭성에 의해 영향을 받는 시스템에서 손실과 증폭이 어떻게 상쇄되어, 이질적인 또는 손실이 있는 구성에서도 고품질 인자 공진을 복원할 수 있는지 보여주기 위해.
• 복잡한 기하학적 재구성 없이도 활성 물질을 사용해 외부에서 조절 가능한 메커니즘을 제공함으로써 광학 공진의 동적 제어를 실현하기 위해.

제안 방법

• 각 단위세포에 두 개의 직사각형 실리콘 나노안테나를 포함하는 정사각형 격자로 구성된 평판형 모든 도체 메타물질을 모델링한다.
• 실수부와 양의 허수부(ε′′ > 0)를 갖는 나노안테나를 손실성 실리콘으로, 음의 허수부(ε′′ < 0)를 갖는 나노안테나를 Dopant 증폭 실리콘으로 표현한다.
• 시간 조화형 자극(exp(iωt)) 하에서 맥스웰 방정식을 수치적으로 해석하기 위해 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 적용하여 산란 및 전자기장 분포를 계산한다.
• 기하학적 비대칭성과 손실·증폭의 균형에 따라 고립모드 공진의 품질 인자(Q-factor)를 분석한다.
• 공간적으로 설계된 손실과 증폭을 통해 비헤르미트형 외란을 도입하여 PT 대칭성을 깨고 모드 결합을 제어한다.
• 경계 상태의 연속성(BICs) 개념을 이론적 기초로 사용하여, 복사 연속성 내에 존재하더라도 국소화된 공진이 유지됨을 기반으로 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대칭적인 모든 도체 메타물질 내 고립모드 공진은 비헤르미트형 외란, 예를 들어 손실과 증폭을 도입함으로써 자극될 수 있는가?
• RQ2 비대칭 단위세포에서 고립모드 공진의 품질 인자는 손실과 증폭의 균형에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 기하학적 비대칭성이 Q-인자에 악영향을 미치는 것을 손실과 증폭의 적절한 조절로 상쇄시킬 수 있는가?
• RQ4 비헤르미트형 물리학, 특히 PT 대칭성이 모든 도체 시스템에서 고품질 공진의 동적 제어에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 동일한 나노안테나를 갖는 대칭적 단위세포에서는 고립모드의 품질 인자가 무한대이며 정상 입사 조건에서는 자극될 수 없지만, 균형 잡힌 손실과 증폭을 도입함으로써 자극이 가능해진다.
• 다른 나노안테나 크기를 갖는 비대칭적 단위세포에서는 대칭성 파괴로 인해 고립모드의 Q-인자가 열악해지지만, 손실과 증폭 수준을 조절함으로써 이 열악함을 완전히 상쇄시킬 수 있다.
• 기하학적 비대칭성 조건이 존재하더라도 두 나노안테나의 허수부(ε′′)를 균형 잡음으로써 고립모드 공진의 Q-인자를 근접 무한대 수준으로 복원할 수 있다.
• 결과적으로 손실과 증폭은 기하구조를 변경하지 않고도 광학 공진의 Q-인자를 외부 제어 노브로 동적으로 조절하는 데 사용될 수 있음을 보여준다.
• 손실과 증폭이 적절히 균형을 이루면 비대칭성에 대해 뛰어난 내성을 보이며, 이로 인해 이상적인 BICs와 유사한 Q-인자를 확보할 수 있다.
• 이 방법은 실현 가능한 비이상적인 메타물질에서 고품질 공진을 실현할 수 있도록 하여, 센서, 레이저, 비선형 광학 분야에서의 응용을 위한 새로운 길을 열어준다.