[논문 리뷰] Tunable Unidirectional Nonlinear Emission from Transition-Metal-Dichalcogenide Metasurfaces

Mudassar Nauman, Jingshi Yan외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 73인용 수 104

한 줄 요약

이 논문은 굴절률 >4.5를 갖는 전이금속디 chalcogenide (MoS2) 메타표면에서 다중극 Mie 공진을 활용하여 조절 가능한 단방향 제2 및 제3차 하모닉 생성(SHG 및 THG)을 구현한다. 이는 하모닉 파장에서의 다중극 Mie 공진을 통해 차원보다 작은 분산, 단일 빔 방출을 실현하며, 펌프 파장 또는 편광을 조절하여 전방 또는 후방 방향으로 동적으로 전환 가능하다. 이는 비선형 효율을 향상시키고 비선형 광학 분야에서 새로운 응용 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

Nonlinear light sources are central to a myriad of applications, driving a quest for their miniaturisation down to the nanoscale. In this quest, nonlinear metasurfaces hold a great promise, as they enhance nonlinear effects through their resonant photonic environment and high refractive index, such as in high-index dielectric metasurfaces. However, despite the sub-diffractive operation of dielectric metasurfaces at the fundamental wave, this condition is not fulfilled for the nonlinearly generated harmonic waves, thereby all nonlinear metasurfaces to date emit multiple diffractive beams. Here, we demonstrate the enhanced single-beam second- and third-harmonic generation in a metasurface of crystalline transition-metal-dichalcogenide material, offering the highest refractive index. We show that the interplay between the resonances of the metasurface allows for tuning of the unidirectional second-harmonic radiation in forward or backward direction, not possible in any bulk nonlinear crystal. Our results open new opportunities for metasurface-based nonlinear light-sources, including nonlinear mirrors and entangled-photon generation.

연구 동기 및 목표

• 다중 회절 주문에서 방출되는 전통적인 비선형 메타표면의 한계를 극복하기 위해 단일 빔, 차원보다 작은 비선형 방출을 달성하기 위해.
• MoS2의 높은 굴절률(>4.5)과 강한 비선형 감도도를 활용하여 제2 및 제3차 하모닉 생성을 향상시키기 위해.
• 펌프 파장 또는 편광을 통해 비선형 방출 방향성(전방 또는 후방)을 동적으로, 전면 광학적으로 제어하는 것을 입증하기 위해.
• 작고 확장 가능한 플랫폼에서 조절 가능하고 단방향 방출을 실현함으로써 비선형 빛 소스 및 비선형 거울 분야에서 새로운 응용 가능성을 열기 위해.

제안 방법

• 蓝 sapphire 기판 위에서 기계적 분리, 전자선 리소그래피, 반응성 이온 에칭을 사용하여 MoS2 메타표면을 제작하였다.
• 가변 기하학적 매개변수(반지름 100–120 nm, 높이 ~150 nm)를 갖는 절삭원뿔 형태의 메타원자 정렬 배열을 설계하여 가시광 및 가까운 적외선 파장에서 Mie 유형 공진을 지원하도록 하였다.
• 선형 및 비선형 광학적 반응(예: SHG 및 THG 효율 포함)을 모델링하기 위해 전체파 유한요소 방법(COMSOL)과 FDTD 시뮬레이션(Lumerical)을 사용하였다.
• Mie 이론과 준정규모(QNM) 분석을 활용하여 하모닉 주파수에서의 다중극 공진을 식별하고 제어하였다.
• 백색광 투과 스펙트로스코피 및 고 NA를 갖는 현미경 목적으로를 이용한 비선형 방출 측정을 통해 실험적 측정을 수행하였다.
• 1 GW/cm² 강도의 s-편광 펌프 빛을 700–800 nm 범위에서 사용하였으며, 비선형 시뮬레이션에 실험적으로 측정한 χ² 텐서 값 3 nm²/V 를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MoS2 메타표면은 조절 가능한 방향성과 함께 차원보다 작은 단일 빔 제2하모닉 방출을 지원할 수 있는가?
• RQ2 하모닉 파장에서의 다중극 Mie 공진은 비선형 방출 방향성을 어떻게 제어하는가?
• RQ3 MoS2 메타원자의 상부 및 하부 표면에서의 비대칭 결정격자 구조가 강화된 이차 비선형성 생성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 물리적 재구성 없이도 SHG의 방향성을 전방과 후방으로 동적으로 전환시킬 수 있는가?
• RQ5 MoS2의 높은 굴절률(>4.5)이 다른 유전체에 비해 비선형 변환 효율 향상에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• MoS2 메타표면은 700–800 nm 범위에서 굴절률 5.6–4.7를 나타내며, Si(3.7) 또는 GaAs(3.7)보다 훨씬 높은 비선형 방출 강도를 보였다.
• 하모닉 파장에서의 공진 설계 덕분에 메타표면은 다중 회절 주문이 관측되지 않는 단일 빔, 차원보다 작은 비선형 방출(SHG 및 THG)을 실현하였다.
• 펌프 파장 또는 입사 편광을 조절하여 단방향 SHG 방출을 전방 또는 후방 방향으로 동적으로 전환 가능하며, 이는 기존의 부스러기 비선형 결정 또는 이전 메타표면에서는 달성할 수 없는 특성이다.
• Si 메타표면 대비 SHG 효율이 두 개 이상의 주기 이상 향상되었으며, 이는 MoS2 메타원자의 상부 및 하부 표면에서의 결정격자 비대칭성 때문으로 추정된다.
• 수치 시뮬레이션은 수직 실린더형 MoS2 메타원자가 SH 빛에 대해 효과적인 거울로 작용할 수 있으며, 고대비의 방향성 전환을 가능하게 함을 확인하였다.
• 메타표면은 높은 효율으로 동시에 SHG 및 THG를 지원하며, 단일층 TMDC 또는 플라즈몬 시스템보다 더 큰 상호작용 부피를 제공한다.