[论文解读] Functional meta-optics and nanophotonics govern by Mie resonances

Sergey Kruk, Yuri S. Kivshar|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2017

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 6

一句话总结

本文综述了高折射率介质纳米颗粒中的Mie共振如何通过支持低损耗的强电偶极子和磁偶极子共振，实现全介质超构光学，从而实现对光的相位和振幅的完全调控。其主要贡献在于展示了这些共振可实现新型功能，如单向散射、束缚态在连续谱中以及拓扑边缘态，推动了非线性光学、量子层析成像和集成光子电路的应用发展。

ABSTRACT

Scattering of electromagnetic waves by subwavelength objects is accompanied by the excitation of electric and magnetic Mie resonances, that may modify substantially the scattering intensity and radiation pattern. Scattered fields can be decomposed into electric and magnetic multipoles, and the magnetic multipoles define magnetic response of structured materials underpinning the new field of all-dielectric resonant meta-optics. Here we review the recent developments in meta-optics and nanophotonics, and demonstrate that the Mie resonances can play a crucial role offering novel ways for the enhancement of many optical effects near magnetic and electric multipolar resonances, as well as driving a variety of interference phenomena which govern recently discovered novel effects in nanophotonics. We further discuss the frontiers of all-dielectric meta-optics for flexible and advanced control of light with full phase and amplitude engineering, including nonlinear nanophotonics, anapole nanolasers, quantum tomography, and topological photonics.

研究动机与目标

• 确立Mie共振在实现非磁性、高折射率介质纳米结构中光学磁性的角色。
• 展示介质纳米颗粒中的电偶极子和磁偶极子多极共振如何替代纳米光子器件中的高损耗等离子体组件。
• 探索多模干涉的工程设计，以实现新型光学效应，如单向散射和非辐射偶极子态。
• 研究Mie共振介质超表面在非线性纳米光子学、量子层析成像和拓扑光子学中的应用。
• 利用共振介质超原子实现对光的全相位和全振幅调控，以支持下一代光学超器件。

提出的方法

• 利用Mie理论将散射场分解为电偶极子和磁偶极子多极，特别关注磁偶极子（MD）和电偶极子（ED）共振。
• 设计具有亚波长尺寸的高折射率介质纳米颗粒（如硅纳米圆盘），通过位移电流贡献激发共振电场和磁场。
• 通过调控电偶极子和磁偶极子多极之间的干涉，实现单向散射和束缚态在连续谱（BICs）。
• 在超晶格中应用电磁对偶性概念，构建具有鲁棒边缘态的光子拓扑绝缘体。
• 利用介质纳米结构的低损耗、高品质因子共振，增强非线性效应，如二次谐波产生和拉曼散射。
• 采用基于Mie共振介质单元的超表面，实现并行量子态检测与量子层析成像。

实验结果

研究问题

• RQ1 高折射率介质纳米颗粒中的Mie共振如何在无本征磁性材料的情况下产生强光学磁性？
• RQ2 电偶极子和磁偶极子共振在实现超构光学中低损耗、全相位和全振幅光控中起什么作用？
• RQ3 介质纳米结构中多极之间的干涉如何产生非辐射偶极子态和单向散射？
• RQ4 Mie共振介质超表面能否支持拓扑保护的边缘态以实现鲁棒的光子波导传输？
• RQ5 全介质超构光学在非线性和量子光子学应用中，能在多大程度上替代等离子体组件？

主要发现

• 高折射率介质纳米颗粒中的Mie共振通过位移电流产生强光学磁性，使非磁性材料表现出有效磁偶极响应。
• 半径为200 nm、高度为260 nm的硅纳米圆盘在图1的散射效率谱中显示出强烈的磁偶极子和电偶极子共振。
• 电偶极子和磁偶极子多极的共存可实现相消干涉，形成非辐射偶极子态，从而最小化辐射损耗。
• 介质纳米结构中的多模干涉可实现单向散射和束缚态在连续谱（BICs），且对结构无序具有鲁棒性。
• 具有Mie共振的介质超晶格中的亚波长边缘态可支持拓扑保护的光传播，且在尖锐弯曲处无散射，如图6(f)所示。
• Mie共振介质超表面可实现高精度、鲁棒的并行量子态检测，适用于量子通信和量子计算。