[论文解读] Electric quadrupole and magnetic dipole coupling in plasmonic nanoparticle arrays

Viktoriia E. Babicheva, Andrey B. Evlyukhin|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 55被引用 47

一句话总结

本文分析金纳米粒子在周期阵列中，电四极矩和磁偶极矩如何耦合以产生晶格共振，进而实现 Kerker 型的反射抑制。它将半解析的多极理论与对球和盘在均匀和非均匀环境中的全波仿真相结合。

ABSTRACT

Collective resonances in plasmonic nanoparticle arrays with electric dipole moment oriented along the lattice wave propagation are theoretically investigated. The role of electric quadrupole (EQ) and magnetic dipole (MD) moments of gold nanoparticles in the resonant features of the arrays is analyzed. We perform both semi-analytical calculations of coupled multipole equations and rigorous numerical simulations varying contributions of the electric and magnetic multipoles by changing particle size and shape (spheres and disks). The arrays in homogeneous and non-homogeneous environments are considered. We find that even very weak non-resonant EQ and MD moments of a single particle are significantly enhanced in the periodic lattice at the wavelength of collective (lattice) resonance excitation. Importantly, we show that in the infinite arrays, the EQ and MD moments of nanoparticles are coupled and affect each other resonant contributions. We also demonstrate that at the lattice-resonance wavelength, the enhanced EQ and MD moments have contributions to reflection comparable to the dipole one resulting in a significant decrease of reflection and providing the satisfaction of the generalized Kerker condition for reflection suppression.

研究动机与目标

• 研究周期性等离子体纳米粒子阵列中电偶极矩沿晶格波传播方向对齐时的集体晶格共振。
• 评估电四极矩（EQ）和磁偶极矩（MD）在共振特征中的作用及增强。
• 探讨粒子尺寸/形状（球体和圆盘）以及环境（均匀与非均匀）对 EQ/MD 贡献的影响。
• 证明在何种条件下 EQ/MD 耦合可实现反射的降低（广义 Kerker 条件）。

提出的方法

• 建立包含 ED、MD 和 EQ 分量的半解析耦合多极方程。
• 使用含有极化率 αp、αm、αq 的偶极-四极模型及相应的格林张量 G、g、q 来描述粒子间耦合。
• 在晶格耦合（S1–S5 项）下推导有效极化率 αp^eff、αm^eff、αq^eff。
• 通过对 ED、MD 和 EQ 场的远场叠加，利用解析表达式（r、t）计算反射和透射。
• 用全波 CST Microwave Studio 的球和圆盘在不同环境中的仿真来验证解析结果。
• research_questions

实验结果

研究问题

• RQ1 在平行偏振下，纳米粒子的 EQ 与 MD 矢量如何贡献于周期阵列的晶格共振？
• RQ2 EQ/MD 耦合是否能产生强烈、窄的晶格共振并通过广义 Kerker 条件改变反射？
• RQ3 粒子尺寸/形状和环境不均匀性如何影响 EQ/MD 晶格共振的强度和位置？
• RQ4 EQ 与 MD 的晶格共振是否与 ED 响应相互作用，从而产生定向散射和反射抑制？

主要发现

• 在阵列中可以激发 EQ 和 MD 晶格共振，即使单粒子的 EQ 和 MD 矢量很弱。
• 无限阵列中 EQ 与 MD 矢量的耦合导致显著的共振贡献并影响线宽和位置。
• 在晶格共振波长处，增强的 EQ 和 MD 矢量对反射抑制有贡献，接近于偶极贡献，满足广义 Kerker 条件。
• 解析模型中包含 ED、EQ、MD 耦合，与数值仿真高度一致，显示准确 Kerker 型行为需要 EQ–MD 耦合。
• 圆盘和球体都展现出具有强吸收和降低反射的晶格共振，非均匀环境可分裂并移动这些特征。