[论文解读] High quality factor polariton resonators using van der Waals materials

Michele Tamagnone, Kundan Chaudhary+7 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 14被引用 7

一句话总结

本论文利用各向同性纯六方氮化硼和α-三氧化钼的纳米碟结构，展示了高品质因子（Q ≈ 400）的中远红外极化子纳米谐振器。通过利用范德华材料中的声子极化子，该谐振器实现了远低于波长的模式限制，其尺寸比激发波长小10至30倍，从而实现了超紧凑、高性能的纳米光子器件。

ABSTRACT

We present high quality factor optical nanoresonators operating in the mid-IR to far-IR based on phonon polaritons in van der Waals materials. The nanoresonators are disks patterned from isotopically pure hexagonal boron nitride (isotopes 10B and 11B) and α-molybdenum trioxide. We experimentally achieved quality factors of nearly 400, the highest ever observed in nano-resonators at these wavelengths. The excited modes are deeply subwavelength, and the resonators are 10 to 30 times smaller than the exciting wavelength. These results are very promising for the realization of nano-photonics devices such as optical bio-sensors and miniature optical components such as polarizers and filters.

研究动机与目标

• 开发用于中远红外应用的超紧凑、高品质因子光学谐振器。
• 克服传统介质材料在亚波长尺度下实现高Q因子的局限性。
• 利用范德华材料（如各向同性纯hBN和α-MoO3）中低光学损耗和强声子极化子的特性。
• 展示在中远红外波段中品质因子超越以往记录的纳米谐振器。
• 推动集成纳米光子学中的应用，如生物传感器、滤波器和偏振器。

提出的方法

• 采用电子束光刻和反应离子刻蚀技术，制备各向同性纯六方氮化硼（10B和11B）与α-三氧化钼的碟形纳米谐振器。
• 利用范德华材料中的声子极化子，在中远红外频率下支持高品质因子光学模式。
• 采用傅里叶变换红外光谱法对谐振模式进行实验表征，并提取品质因子。
• 设计谐振器直径为激发波长的10至30倍，以实现深度亚波长限制。
• 利用hBN中的同位素纯度以最小化散射损耗，从而提高品质因子。
• 对多个样品系统性测量谐振响应，以验证可重复性和性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 范德华材料是否能在中远红外光谱范围内支持高品质因子光学共振？
• RQ2 基于二维材料中声子极化子的亚波长纳米谐振器，其可实现的最大品质因子是多少？
• RQ3 谐振器尺寸相对于自由空间波长的变化如何影响品质因子和模式限制？
• RQ4 各向同性纯hBN和α-MoO3能否用于在这些波长下实现纳米尺度谐振器的记录级Q因子？
• RQ5 在保持高Q因子和强场限制的前提下，这些谐振器可被微型化到何种程度？

主要发现

• 所制备的纳米谐振器实现了接近400的品质因子，是迄今为止在中远红外波段报道的纳米谐振器中最高的。
• 谐振模式为深度亚波长，谐振器尺寸比激发波长小10至30倍。
• 各向同性纯六方氮化硼显著降低了散射损耗，对高Q因子有重要贡献。
• α-三氧化钼中的声子极化子在远红外波段支持强场限制和高Q因子谐振模式。
• 实验结果表明，多个样品间具有可重复且稳健的性能，证实了该方法的可行性。
• 该结果为实现超紧凑、高性能的纳米光子元件（如滤波器、偏振器和生物传感器）开辟了新途径。