[논문 리뷰] Viscoelastic optical nonlocality of doped-cadmium-oxide epsilon-near-zero thin films

Domenico de Ceglia, Michael Scalora외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 08.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 분광학적 입체측정법과 점탄성 유체역학 모델을 사용하여 Dopant이 첨가된 CdO 계 에너지근영(ENZ) 박막에서 점탄성 광학 비국소성의 실험적 증명을 한다. 낮은 전자 감쇠와 비대역 전이의 부재로 인해 비국소 효과, 즉 블루시프트된 플라즈몬 공진과 기초 플라즈몬 주파수 이상의 고차원 전자압력 모드를 관측할 수 있었으며, 모형-실험 일치를 통해 비국소 감쇠가 확인되었다.

ABSTRACT

Optical nonlocalities are elusive and hardly observable in traditional plasmonic materials like noble and alkali metals. Here we report experimental observation of viscoelastic nonlocalities in the infrared optical response of a doped cadmium-oxide, epsilon-near-zero thin film. The nonlocality is detectable thanks to the low damping rate of conduction electrons and the virtual absence of interband transitions at infrared wavelengths. We describe the motion of conduction electrons using a hydrodynamic model for a viscoelastic fluid, and find excellent agreement with experimental results. The electrons elasticity blue-shifts the infrared plasmonic resonance associated with the main epsilon-near-zero mode, and triggers the onset of higher-order resonances due to the excitation of electron-pressure modes above the bulk plasma frequency. We also provide evidence of the existence of nonlocal damping, i.e., viscosity, in the motion of optically-excited conduction electrons using a combination of spectroscopic ellipsometry data and predictions based on the viscoelastic hydrodynamic model.

연구 동기 및 목표

• 저 전자 감쇠를 가지나 거의 연구되지 않은 도핑된 CdO 계 에너지근영(ENZ) 박막에서 광학 비국소성을 조사하기 위해.
• 특히 전자 탄성과 점성 등의 점탄성 효과가 이러한 물질의 적외선 응답에서 실험적으로 관측 가능한지 판단하기 위해.
• ENZ 및 플라즈몬 행동의 맥락에서 실험적 분광학적 입체측정 데이터와 점탄성 유체역학 모형을 검증하기 위해.
• 기초 플라즈몬 주파수 이상에서 발생하는 전자압력 모드에 기인한 고차원 공진을 식별하고 특성화하기 위해.
• 모형-데이터 비교를 통해 광학적으로 자극된 도핑 전자의 비국소 감쇠(점성)에 대한 증거를 제공하기 위해.

제안 방법

• 적외선 영역에서 도핑된 CdO ENZ 박막의 복소 유전율 함수를 측정하기 위해 분광학적 입체측정법을 적용하였다.
• 유체역학 모형을 사용하여 전도 전자의 운동을 탄성과 점성을 갖는 유체로 기술하고, 비국소 효과를 포함시켰다.
• 유체역학 모형을 사용하여 플라즈몬 공진 및 고차원 모드 등의 광학적 반응을 예측하고, 예측치를 실험 데이터와 비교하였다.
• 전자의 탄성이 주 에너지근영 모드와 관련된 적외선 플라즈몬 공진의 블루시프트에 미치는 영향을 분석하였다.
• 모형을 실험 데이터에 적합시켜 점성 기여도를 추출하고 비국소 감쇠를 정량화하였다.
• 비대역 전이의 부재와 낮은 감쇠율이 적외선 영역에서 비국소 효과를 관측하는 데 핵심적인 요소임을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 도핑된 카드뮴 산화물 ENZ 박막에서 점탄성 비국소성이 실험적으로 관측될 수 있는가?
• RQ2 전자의 탄성은 에너지근영 모드와 관련된 플라즈몬 공진에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 전자의 점성은 광학적으로 자극된 도핑 전자의 감쇠에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 기초 플라즈몬 주파수 이상에서 전자압력 모드에 기인한 고차원 공진이 이 시스템에서 관측 가능한가?
• RQ5 점탄성 유체역학 모형은 도핑된 CdO ENZ 박막의 적외선 광학 반응을 어느 정도 정확하게 기술하는가?

주요 결과

• 점탄성 유체역학 모형은 실험적 분광학적 입체측정 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 비국소 기술의 타당성을 확인하였다.
• 전자의 탄성은 주 에너지근영 모드와 관련된 적외선 플라즈몬 공진의 측정 가능한 블루시프트를 유도한다.
• 고차원 공진은 기초 플라즈몬 주파수 이상에서 전자압력 모드가 자극되었을 때 모형이 예측한 바와 같이 발생한다.
• 비국소 감쇠(점성)는 모형이 전체 스펙트럼 반응을 재현할 수 있음으로써 도핑 전자에서 실험적으로 입증되었다.
• 적외선 파장에서 도핑된 CdO의 낮은 감쇠율과 비대역 전이의 거의 없는 상태는 이러한 비국소 효과를 관측하는 데 핵심적인 조건이다.
• 이 연구는 도핑된 CdO ENZ 박막이 조절 가능하고 손실이 낮은 물질 체계로서 비국소 광학 현상을 탐구하는 실현 가능한 플랫폼임을 확립하였다.