[论文解读] From Fano resonances to bound states in the continuum in dipole arrays at THz frequencies

Diego R. Abujetas, Niels van Hoof+3 more|Figshare|Jan 10, 2019

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 40被引用 44

一句话总结

该论文在理论和实验上证明，2D 含非对称金棒二聚体的超表面在太赫兹频率下显示窄的 Fano 谐振，随着棒子趋于完全相同，能逐渐收束为连续带中的束缚态（BICs），并由一个普适的失谐偶极子模型给予支持。

ABSTRACT

Fano resonances and bound states in the continuum (BICs) exhibit a rich phenomenology stemming from, respectively, their asymmetric line shapes and infinite quality factors. Here, we show experimentally and theoretically that rod dimer metasurfaces exhibit narrow (high-Q) Fano resonances at THz frequencies. These resonances evolve continuously into a BIC as the rods in each dimer become identical. We demonstrate analytically that this is a universal behavior occurring in arrays of dimers consisting of detuned resonant dipoles. Fano resonances arise as a result of the interference between broad and narrow lattice dipole resonances, with high-Q factors tending to infinity in the detuning parameter space as the narrow lattice resonance becomes a BIC for identical resonant dipoles. Similar configurations can be straightforwardly envisioned throughout the electromagnetic spectrum leading to ultrahigh-Q Fano resonances and BICs of interest in photonics applications such as sensing and lasing.

研究动机与目标

• 研究 THz 杆-二聚体超表面的 Fano 谐振和连续带中的束缚态（BICs）。
• 当单胞中两根棒的尺寸趋于相同，谐振变窄的现象发生。
• 为 detuned 谐振偶极子的阵列开发一个简单解析模型以解释观测现象。
• 证明 detuned-dipole 机制在晶格参数和偶极位移方面具有普适性。
• 讨论利用超高 Q 谐振和 BIC 实现传感与激光等应用的潜在意义。

提出的方法

• 在石英基底上制备带有不同长度的第二根棒 L2、固定 L1 的金棒二聚体的二维方阵。
• 在法线入射下进行 THz 透射测量，并将结果与使用平面理想导体棒的数值 SCUFF 模拟进行比较。
• 提出一个耦合偶极-二聚体模型，偶极极化沿 y 轴并引入晶格去极化位张张（dyadic）以描述阵列响应。
• 解析推导显示失谐 DeltaAlpha_y 如何控制两个晶格模态的宽度，并在零失谐时产生零宽度的 BIC。
• 从模拟散射横截面积中提取极化率，以再现透射光谱和相位行为。
• 近场与全波模拟用于说明晶格中的 BIC 场 confinement。

实验结果

研究问题

• RQ1 detuned-dipole 阵列是否能同时支持一个宽的和一个窄的晶格共振，其干涉在 THz 透射中产生 Fano 线形？
• RQ2 将两个偶极子变为相同（零失谐）是否会使窄共振塌缩为对称性保护且无辐射的连续带中的束缚态（BIC）？
• RQ3 BIC 条件是否对晶格常数以及单元胞内偶极位移的变化具有鲁棒性，即在几何结构上具有普适性？

主要发现

• 实验观测到当 L2 ≠ L1 时，THz 透射率中的强且窄的 Fano 谐振，随着棒子尺寸接近相同而变得极窄。
• 解析耦合偶极模型显示 Im[Lambda+], 即宽模/明模，随着失谐消失趋近于零，指示在零失谐时产生 BIC。
• 证明 Fano 谐振来自宽明模与窄暗模之间的干涉，其耦合由失谐 DeltaAlpha_y 控制。
• 普适性主张：只要忽略高阶多极项，BIC 条件对晶格参数 a、b 以及单元内位移 dx、dy 的变化具有鲁棒性。
• 近场映射和相位分析揭示在谐振附近棒间的场增强和 π 相位差，与暗态晶格谐振行为一致。