[논문 리뷰] Functional meta-optics and nanophotonics govern by Mie resonances

Sergey Kruk, Yuri S. Kivshar|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 24.

Plasmonic and Surface Plasmon Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고굴절률 유전체 나노입자의 마이 전자기 공진이 낮은 손실을 동반하면서 강한 전기 및 자계 듀플레 전자기 공진을 지원함으로써 전면 유전체 메타광학을 가능하게 하여 빛의 위상과 진폭을 완전히 제어할 수 있음을 다룹니다. 주요 기여는 이러한 공진이 단방향 산란, 연속체 내에 있는 결합 상태, 그리고 위상수학적 표면 상태와 같은 새로운 기능을 가능하게 하여 비선형 광학, 양자 톰그래피, 통합 광학 회로 분야의 응용을 발전시킨다는 점입니다.

ABSTRACT

Scattering of electromagnetic waves by subwavelength objects is accompanied by the excitation of electric and magnetic Mie resonances, that may modify substantially the scattering intensity and radiation pattern. Scattered fields can be decomposed into electric and magnetic multipoles, and the magnetic multipoles define magnetic response of structured materials underpinning the new field of all-dielectric resonant meta-optics. Here we review the recent developments in meta-optics and nanophotonics, and demonstrate that the Mie resonances can play a crucial role offering novel ways for the enhancement of many optical effects near magnetic and electric multipolar resonances, as well as driving a variety of interference phenomena which govern recently discovered novel effects in nanophotonics. We further discuss the frontiers of all-dielectric meta-optics for flexible and advanced control of light with full phase and amplitude engineering, including nonlinear nanophotonics, anapole nanolasers, quantum tomography, and topological photonics.

연구 동기 및 목표

• 비자성 고굴절률 유전체 나노구조에서 광학적 자성의 기여를 가능하게 하는 마이 공진의 역할을 규명하는 것.
• 유전체 나노입자 내 전기 및 자계 다극자 공진이 나노광학 장치에서 손실이 큰 플라즈모닉 구성 요소를 대체할 수 있는 방법을 보여주는 것.
• 다중 모드 간섭의 공학적 설계를 통해 단방향 산란 및 비방사성 아나폴 상태와 같은 새로운 광학 효과를 달성하는 것.
• 마이 공진 유전체 메타표면의 비선형 나노광학, 양자 톰그래피 및 위상수학 광학 분야의 응용을 탐구하는 것.
• 공진 유전체 메타원자들을 활용하여 다음 세대 광학 메타장치를 위한 빛의 위상과 진폭을 완전히 제어하는 것.

제안 방법

• 마이 이론을 활용하여 산란된 필드를 전기 및 자계 다극자로 분해하고, 특히 자계 듀플레(МD) 및 전기 듀플레(ED) 공진에 집중하는 것.
• 이완 전류 기여를 통해 임계 치수 이하의 고굴절률 유전체 나노입자(예: 실리콘 나노디스크)를 설계하여 공진 전기 및 자계장을 유도하는 것.
• 전기 및 자계 다극자 간의 간섭을 공학적으로 조절하여 단방향 산란과 연속체 내에 있는 결합 상태(BICs)를 달성하는 것.
• 메타결정에서 전자기 이중성 개념을 적용하여 강력한 표면 상태를 가진 광학적 위상수학 절연체를 만드는 것.
• 유전체 나노구조의 낮은 손실 및 고품질 요소 공진을 활용하여 고조파 발생 및 라만 산란과 같은 비선형 효과를 강화하는 것.
• 마이 공진 유전체 요소 기반 메타표면을 활용하여 병렬적인 양자 상태 검출 및 양자 톰그래피를 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고굴절률 유전체 나노입자의 마이 공진은 본질적으로 자성 물질이 없는 상황에서 강한 광학적 자성을 어떻게 생성할 수 있는가?
• RQ2 전기 및 자계 듀플레 공진은 메타광학에서 낮은 손실, 완전한 위상 및 진폭 제어를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 유전체 나노구조 내 다극자 간 간섭은 비방사성 아나폴 상태와 단방향 산란을 어떻게 생성하는가?
• RQ4 마이 공진 유전체 메타표면은 강력한 광학적 파동도를 위한 위상수학적으로 보호된 표면 상태를 지닐 수 있는가?
• RQ5 전면 유전체 메타광학은 비선형 및 양자 광학 응용 분야에서 플라즈모닉 구성 요소를 어느 정도 대체할 수 있는가?

주요 결과

• 고굴절률 유전체 나노입자의 마이 공진은 이완 전류를 통해 강한 광학적 자성을 유도함으로써 비자성 물질이 효과적인 자계 듀플레 반응을 보일 수 있도록 한다.
• 반지름 200 nm, 높이 260 nm인 실리콘 나노디스크는 그 산란 효율 스펙트럼(그림 1 참조)을 통해 강한 자계 듀플레 및 전기 듀플레 공진을 나타낸다.
• 전기 및 자계 다극자의 공존은 간섭을 통해 비방사성 아나폴 상태를 형성함으로써 복사 손실을 최소화한다.
• 유전체 나노구조에서의 다중 모드 간섭은 단방향 산란 및 연속체 내에 있는 결합 상태(BICs)를 가능하게 하며, 이는 구조적 무질서에 대해 강건하다.
• 마이 공진을 가진 유전체 메타결정의 서브파장 표면 상태는 날카운 곡선에서의 산란 없이 위상수학적으로 보호된 빛의 전파를 지원하며, 그림 6(f)에서 이를 입증하였다.
• 마이 공진 유전체 메타표면은 높은 정확도를 갖는 병렬적이고 강력한 양자 상태 검출을 가능하게 하여 양자 통신 및 계산에 적합하다.