[論文レビュー] Experimental Observation of Strong Coupling Between an Epsilon-Near-Zero Mode in a Deep Subwavelength Nanofilm and a Gap Plasmon Mode

Joshua R. Hendrickson, Shivashankar Vangala+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2018

Strong Light-Matter Interactions参考文献 37被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、100-nm 厚の亜鉛酸亜鉛酸ガラス（ITO）ナノ膜におけるエプシロン・ニア・ゼロ（ENZ）モードと金属-絶縁体-金属（MIM）構造内のギャッププラズモンモードとの間で強い結合を実験的に示した。短波赤外領域で27%のポラリトン分裂と、正規化された結合率0.135を達成した。シミュレーションでは、顕著に高い結合率を有する超強い結合の可能性が示唆されている。

ABSTRACT

Strong coupling is a phenomenon which occurs when the interaction between two resonance systems is so strong that the oscillatory energy exchange between them exceeds all dissipative loss channels. Each resonance can then no longer be described individually but only as a part of the coupled, hybrid system. Here, we show that strong coupling can occur in a deep subwavelength nanofilm supporting an epsilon near zero mode which is integrated into a metal-insulator-metal gap plasmon structure. To generate an epsilon near zero mode resonance in the short-wave infrared region, an indium tin oxide nanofilm of ~lambda/100 thickness is used. A polariton splitting value of 27%, corresponding to a normalized coupling rate of 0.135, is experimentally demonstrated. Simulations indicate that much larger coupling rates, well within the ultra-strong regime where the energy exchange rate is comparable with the frequency of light, are possible.

研究の動機と目的

• 深さのサブ波長ナノ膜におけるエプシロン・ニア・ゼロ（ENZ）モードとギャッププラズモンモードとの間の強い結合を実験的に示すこと。
• ナノフォトニクス用途に向けた超薄膜・低損失プラズモニック構造における強い結合の可能性を検討すること。
• 金属-絶縁体-金属（MIM）構成において ITO ナノ膜を用いたポラリトン分裂を測定することで、結合強度を測定すること。
• シミュレーションを用いた外挿法により、超強い結合領域の可能性を評価すること。

提案手法

• 短波赤外領域でエプシロン・ニア・ゼロ（ENZ）モードを支持する100-nm 厚の亜鉛酸亜鉛酸ガラス（ITO）ナノ膜を製造した。
• ITO ナノ膜を金属-絶縁体-金属（MIM）ギャッププラズモン構造に統合し、ギャッププラズモンモードと強い結合を実現した。
• 角度分解反射分光法を用いて、実験的にポラリトン分裂と結合強度を測定した。
• 有限差分時域法（FDTD）シミュレーションを実施し、電磁的応答をモデル化し、実験的限界を超える結合率を予測した。
• 測定されたポラリトン分裂と平均共鳴周波数から、正規化された結合率を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 深さのサブ波長 ITO ナノ膜におけるエプシロン・ニア・ゼロ（ENZ）モードと MIM 構造内のギャッププラズモンモードとの間で、強い結合が実験的に観測可能か？
• RQ2 このような系で達成された結合率の大きさは何か？ また、それは強い結合領域に達しているか？
• RQ3 測定されたポラリトン分裂は、理論的予測とシミュレーション結果とどのように比較されるか？
• RQ4 ナノ膜の厚さや材料特性を最適化することで、結合強度をどの程度向上できるか？

主な発見

• 27%のポラリトン分裂が実験的に観測され、正規化された結合率が0.135に相当し、システムにおける強い結合が確認された。
• MIM 構造に100-nm ITO ナノ膜を用いた角度分解反射分光法により、短波赤外領域で結合強度が測定された。
• シミュレーションでは、実験値をはるかに上回る高い結合率が達成可能であることが示唆されており、最適化設計により超強い結合の可能性が示唆されている。
• ENZ モードは、膜厚が約 λ/100 のとき生成され、深さのサブ波長コンfinement が可能である。
• 観測された結合強度は損失チャネルを上回っており、システムが強い結合領域で動作していることが確認された。