[論文レビュー] Trapped-mode excitation in all-dielectric metamaterials with loss and gain

Anton V. Hlushchenko, Denis V. Novitsky+1 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2022

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 58被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、非エルミート的摂動——全ダイエレクトリックメタマテリアルにバランスの取れた損失と増幅を導入すること——が、幾何的対称性の破壊を要せず、高品質な捕獲モード共鳴を励起可能であることを示している。ペアドされたシリコンナノアンテナにおける損失と増幅の調整により、非対称構造においても束縛状態（BIC）の品質因子が回復され、ナノフォトニクス応用のための光学共鳴の動的制御が可能になる。

ABSTRACT

Non-Hermitian photonics based on combining loss and gain media within a single optical system provides a number of approaches to control and generate the flow of light. In this paper, we show that by introducing non-Hermitian perturbation into the system with loss and gain constituents, the high-quality resonances known as trapped modes can be excited without the need to change the symmetry of the unit cell geometry. To demonstrate this idea, we consider a widely used all-dielectric planar metamaterial whose unit cell consists of a pair of rectangular nanoantennas made of ordinal (with loss) and doped (with gain) silicon. Since the quality factor of the trapped-mode resonance can be controlled by changing both spatial symmetry and non-Hermiticity, varying loss and gain allows us to compensate for the influence of asymmetry and restore the quality factor of the localized mode. The results obtained suggest new ways to achieve high-quality resonances in non-Hermitian metamaterials promising for many practical applications in nanophotonics.

研究の動機と目的

• 捕獲モードが無限大の品質因子とゼロの放射結合を示す対称的全ダイエレクトリックメタマテリアルでは励起が不可能であるという制限を克服すること。
• 非エルミート的効果——特にバランスの取れた損失と増幅——が、全ダイエレクトリックメタサーフェスにおける高品質共鳴をどのように励起・制御できるかを調査すること。
• 損失と増幅が幾何的非対称性を補償でき、そうでない場合に損傷を受けるか、非対称な構成においても高品質因子共鳴を回復できることを実証すること。
• 複雑な構造的再配置を回避するため、アクティブ材料を用いて外部から調整可能な実用的メカニズムを提供すること。

提案手法

• 正方格子で構成されるユニットセルを有する平面的全ダイエレクトリックメタマテリアルのモデル化。各ユニットセルには複素誘電率を有する2つの長方形シリコンナノアンテナを含む。
• 損失を表すために実部と正の虚部（ε′′ > 0）を持つナノアンテナを用い、ドーピングされた増幅シリコンを表すために虚部が負のナノアンテナ（ε′′ < 0）を用いる。
• 時間調和励起（exp(iωt)）下でマクスウェル方程式を解くために有限要素法（FEM）シミュレーションを適用し、散乱および電場分布を計算する。
• 幾何的非対称性および損失と増幅のバランスに応じた捕獲モード共鳴の品質因子（Q因子）の関数としてのQ因子を分析する。
• 空間的に設計された損失と増幅を介して非エルミート的摂動を導入し、PT対称性を破り、モード結合を制御する。
• 境界状態が連続体に存在する状態（BIC）の概念を理論的基盤として用い、放射連続体に存在しても局在化した共鳴が維持されることを基にしている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非エルミート的摂動（損失と増幅を含む）を導入することで、対称的全ダイエレクトリックメタマテリアルにおける捕獲モード共鳴を励起できるか？
• RQ2 非対称ユニットセルにおける損失と増幅のバランスが、捕獲モード共鳴の品質因子にどのように影響するか？
• RQ3 幾何的非対称性がQ因子に与える悪影響を、ナノアンテナにおける損失と増幅の適切な調整によって補償できるか？
• RQ4 非エルミート的物理学、特にPT対称性が、全ダイエレクトリック系における高Q共鳴の動的制御を可能にする役割は何か？

主な発見

• 同一のナノアンテナを有する対称的ユニットセルでは、捕獲モードのQ因子は無限大であり、通常入射では励起できないが、バランスの取れた損失と増幅を導入することで励起が可能になる。
• 異なるナノアンテナサイズを有する非対称ユニットセルでは、対称性の破壊により捕獲モードのQ因子が劣化するが、損失と増幅レベルの調整により、この劣化を完全に補償できる。
• 幾何的非対称性が存在しても、2つのナノアンテナにおける誘電率の虚部（ε′′）をバランスさせることで、捕獲モード共鳴のQ因子をほぼ無限大に回復できる。
• 結果として、損失と増幅が幾何形状を変更せずに光学共鳴のQ因子を動的制御する外部制御ノブとして使用可能であることが示された。
• 損失と増幅が適切にバランスされれば、非対称性に対して頑健であり、Q因子が理想のBICとほぼ同等に近づく。
• 本手法により、現実的で非理想的なメタマテリアルにおいても高Q共鳴の実現が可能となり、センシング、レーザー、非線形光学分野における応用の新たな道が開かれる。