[论文解读] 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 7

一句话总结

本文实验展示了在100纳米厚的氧化铟锡（ITO）纳米薄膜中，epsilon-near-zero（ENZ）模式与金属-绝缘体-金属结构中的间隙等离子体模式之间存在强耦合，实现了27%的极化子能级分裂和0.135的归一化耦合速率，工作波段位于短波红外范围。模拟结果表明，通过显著提高耦合速率，有望实现超强耦合。

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.

研究动机与目标

• 证明在深亚波长纳米薄膜中的epsilon-near-zero（ENZ）模式与间隙等离子体模式之间实现强耦合。
• 探索在超薄、低损耗等离子体结构中实现强耦合的可行性，以用于纳米光子学应用。
• 通过金属-绝缘体-金属（MIM）结构中ITO纳米薄膜的极化子能级分裂测量耦合强度。
• 基于模拟外推，评估实现超强耦合区域的潜力。

提出的方法

• 制备100纳米厚的氧化铟锡（ITO）纳米薄膜，使其在短波红外波段支持epsilon-near-zero（ENZ）模式。
• 将ITO纳米薄膜集成到金属-绝缘体-金属（MIM）间隙等离子体结构中，以实现与间隙等离子体模式的强耦合。
• 采用角度分辨反射光谱法，实验测量极化子能级分裂和耦合强度。
• 采用有限差分时域（FDTD）方法进行模拟，以建模电磁响应并预测超出实验极限的耦合速率。
• 根据测得的极化子能级分裂和平均共振频率，计算归一化耦合速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在深亚波长ITO纳米薄膜中的epsilon-near-zero（ENZ）模式与MIM结构中的间隙等离子体模式之间，实验观测到强耦合？
• RQ2 该系统中实现的耦合速率量级是多少？是否达到强耦合区域？
• RQ3 测得的极化子能级分裂与理论预测和模拟结果相比如何？
• RQ4 通过优化纳米薄膜厚度和材料特性，耦合强度可提升至何种程度？

主要发现

• 实验观测到27%的极化子能级分裂，对应归一化耦合速率为0.135，证实该系统处于强耦合状态。
• 通过MIM结构中100纳米ITO纳米薄膜的角度分辨反射光谱测量，实现了短波红外波段的耦合强度测量。
• 模拟结果表明，可实现远高于实验值的耦合速率，提示通过优化设计有望实现超强耦合。
• ITO纳米薄膜中的ENZ模式在约λ/100厚度下产生，实现了深亚波长限制。
• 测得的耦合强度超过损耗通道，证实系统处于强耦合区域。