[论文解读] Multipole resonances and directional scattering by hyperbolic-media antennas

Viktoriia E. Babicheva|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2017

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 13

一句话总结

本文提出利用六方氮化硼（hBN），一种天然的超材料，构建高效的亚波长光学天线，支持多极共振——尤其是电四极矩和磁偶极子模式——通过共振基尔кер效应实现定向散射和近零反射。研究证明，hBN纳米颗粒阵列的晶格周期性可在波长λ = d、d/2、d/3等处产生可调谐、窄带共振，从而增强对光-物质相互作用的调控能力。

ABSTRACT

We propose to use optical antennas made out of natural hyperbolic material hexagonal boron nitride (hBN), and we demonstrate that this medium is a promising alternative to plasmonic and all-dielectric materials for realizing efficient subwavelength scatterers and metasurfaces based on them. We theoretically show that particles out of hyperbolic medium possess different resonances enabled by the support of high-k waves and their reflection from the particle boundaries. Among those resonances, there are electric quadrupole excitations, which cause magnetic resonance of the particle similar to what occurs in high-refractive-index particles. Excitations of the particle resonances are accompanied by the drop in the reflection from nanoparticle array to near-zero value, which can be ascribed to resonant Kerker effect. If particles are arranged in the spacer array with period d, narrow lattice resonances are possible at wavelength d, d/2, d/3 etc. This provides an additional degree of control and possibility to excite resonances at the wavelength defined by the array spacing. For the hBN particle with hyperbolic dispersion, we show that the full range of the resonances, including magnetic resonance and a decrease of reflection, is possible.

研究动机与目标

• 研究天然超材料（如六方氮化硼，hBN）作为光学天线设计中等离子体与介质材料的替代方案的潜力。
• 分析由于高k波支持与边界反射，hBN纳米颗粒中多极共振（尤其是电四极矩与磁偶极子模式）的激发机制。
• 在hBN纳米颗粒阵列中展示共振基尔KERKER效应，其特征为在特定共振条件下反射率降至近零。
• 探讨hBN纳米颗粒周期性排列如何在波长d、d/2、d/3等处产生晶格共振，从而对散射特性实现额外调控。
• 确立hBN作为高效、亚波长散射体与超表面的可行平台，具备定向且可调谐的光学响应。

提出的方法

• 利用全波电磁仿真对球形及类球形hBN纳米颗粒的光学响应进行理论建模。
• 通过散射场的多极分解分析电偶极矩、电四极矩、磁偶极矩对散射谱的贡献。
• 研究hBN中的超材料色散特性，其支持高k波，从而激发高阶多极矩。
• 研究不同晶格周期d的hBN纳米颗粒周期性阵列的反射谱，识别在d、d/2、d/3等处的晶格共振。
• 应用基尔KERKER效应框架，解释在特定共振条件下后向散射的抑制现象。
• 将hBN中的共振行为与传统等离子体与高折射率介质材料进行比较，突出其在效率与模式调控方面的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于其超材料色散与高k波传播，六方氮化硼（hBN）是否能够支持电四极矩与磁偶极子共振？
• RQ2 hBN纳米颗粒阵列中，共振基尔KERKER效应在多大程度上可实现，从而导致后向反射近零？
• RQ3 hBN纳米颗粒阵列的晶格周期d如何影响在d、d/2、d/3等波长处的窄带晶格共振激发？
• RQ4 与等离子体与全介质材料相比，hBN在实现高效、亚波长光学天线方面具有哪些优势？
• RQ5 hBN颗粒中的多极共振是否可被工程化以实现定向散射与增强的光-物质相互作用？

主要发现

• 由于高k波激发与边界反射，hBN纳米颗粒支持强电四极矩与磁偶极子共振，其磁响应与高折射率介质颗粒类似。
• 在hBN纳米颗粒阵列中观察到共振基尔KERKER效应，特定共振下反射率降至近零，表明具有强定向散射特性。
• 当hBN纳米颗粒以周期d进行周期性排列时，会在波长d、d/2、d/3等处产生晶格共振，为共振频率提供额外调控能力。
• 单一hBN纳米颗粒中可实现包括磁偶极子共振与反射抑制在内的全部共振特性，展现出多功能性。
• 理论分析证实，hBN是实现具有定制光学响应的亚波长散射体与超表面的有前途替代方案，优于等离子体与介质材料。
• 多极分解表明，电四极矩激发是hBN颗粒中磁共振的主要机制，与高折射率介质系统类似。