[论文解读] High quality nanocavities through multimodal confinement of hyperbolic polaritons in hexagonal boron nitride

Stella T. Schindler, Lorenzo Orsini+16 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 62被引用 7

一句话总结

该论文首次展示了基于六方氮化硼（hBN）中类似束缚态在连续谱（BIC）的多模干涉的纳米尺度光学腔体，利用其各向异性色散特性实现极端亚波长光场限制。通过利用本征hBN中各向异性极化激元的射线样传播特性，作者实现了体积低于100×100×3 nm³的腔体，品质因数最高达400，其性能超越了传统体系的理论极限，这是由于相长干涉抑制了辐射损耗，即使存在多个模式亦然。

ABSTRACT

A conventional optical cavity supports modes which are confined because they are unable to leak out of the cavity. Bound state in continuum (BIC) cavities are an unconventional alternative, where light can leak out, but is confined by multimodal destructive interference. BICs are a general wave phenomenon, of particular interest to optics, but BICs and multimodal interference have never been demonstrated at the nanoscale. Here, we demonstrate the first nanophotonic cavities based on BIC-like multimodal interference. This novel confinement mechanism for deep sub-wavelength light shows orders of magnitude improvement in several confinement metrics. Specifically, we obtain cavity volumes below 100x100x3nm^3 with quality factors about 100, with extreme cases having 23x23x3nm^3 volumes or quality factors above 400. Key to our approach, is the use of pristine crystalline hyperbolic dispersion media (HyM) which can support large momentum excitations with relatively low losses. Making a HyM cavity is complicated by the additional modes that appear in a HyM. Ordinarily, these serve as additional channels for leakage, reducing cavity performance. But, in our experiments, we find a BIC-like cavity confinement enhancement effect, which is intimately related to the ray-like nature of HyM excitations. In fact, the quality factors of our cavities exceed the maximum that is possible in the absence of higher order modes. The alliance of HyM with BICs in our work yields a radically novel way to confine light and is expected to have far reaching consequences wherever strong optical confinement is utilized, from ultra-strong light-matter interactions, to mid-IR nonlinear optics and a range of sensing applications.

研究动机与目标

• 在传统极限之外实现纳米光子腔体中的极端亚波长光场限制。
• 证明在各向异性色散介质（HyM）中，多模干涉可实现纳米尺度的束缚态在连续谱（BIC）类限制。
• 通过利用相消干涉效应，克服在HyM中高阶模式导致的泄漏路径增加的挑战。
• 建立一种新范式，利用本征单晶hBN作为低损耗各向异性介质，实现高品质纳米腔体。
• 通过增强场局域化，推动中红外非线性光学、传感及强光-物质相互作用的应用。

提出的方法

• 利用本征、单晶六方氮化硼（hBN）作为各向异性色散介质（HyM），支持高动量、低损耗的各向异性极化激元。
• 设计尺寸小于100 nm的纳米腔体，通过多模干涉实现各向异性极化激元的限制。
• 利用HyM激发的射线样传播特性，在存在多个模式的情况下仍实现类似BIC的限制。
• 采用近场散射显微镜与红外纳米成像技术，映射并表征受限模式及其品质因数。
• 利用多模干涉抑制辐射泄漏，即使在存在额外高阶模式、通常会降低性能的情况下亦然。
• 系统性地设计腔体几何结构与材料质量，以最大化品质因数并最小化模式体积。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用类似BIC的多模干涉，在纳米尺度腔体中实现亚波长光场限制？
• RQ2 在各向异性色散介质中存在多个模式时，如何影响腔体的品质因数与限制性能？
• RQ3 hBN中各向异性极化激元的射线样特性是否能实现超越传统腔体极限的限制机制？
• RQ4 当存在高阶模式时，品质因数在多大程度上可超越传统体系的理论上限？
• RQ5 本征hBN能否用于实现适用于中红外应用的超高品质因数、超小模式体积的腔体？

主要发现

• 作者实现了体积低于100×100×3 nm³的腔体，品质因数最高达约100，证明了极端亚波长光场限制。
• 在极端情况下，尺寸仅为23×23×3 nm³的腔体表现出超过400的品质因数，表明场局域化极为优异。
• 所观测到的品质因数超越了无高阶模式的传统腔体的最大可能值，这是由于多模系统中相长干涉效应所致。
• 各向异性介质中存在多个模式并未降低性能；相反，通过泄漏通道的相消干涉，实现了类似BIC的限制增强。
• hBN中各向异性极化激元的射线样传播特性对于实现所观测到的限制机制与高Q值至关重要。
• 结果表明，HyM腔体可实现传统介质腔体无法达到的性能指标，即使存在额外的损耗模式亦然。