[论文解读] Magnetoplasmonics in nanocavities: Dark plasmons enhance magneto-optics beyond the intrinsic limit of magnetoplasmonic nanoantennas

Alberto López‐Ortega, Mario Zapata Herrera+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2019

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 1被引用 13

一句话总结

本文提出一种结合磁等离子体盘与等离子体环形谐振器的纳米腔结构，利用暗等离子体模式以增强磁光效应。通过破坏几何对称性，该系统实现了与自由空间光的耦合，并将暗多极模式与偶极共振杂化，使磁光响应增强约10倍，突破了传统磁等离子体纳米天线的固有极限。

ABSTRACT

Enhancing magneto-optical effects is crucial for size reduction of key photonic devices based on non-reciprocal propagation of light and to enable active nanophotonics. We disclose a so far unexplored approach that exploits dark plasmons to produce an unprecedented amplification of magneto-optical activity. We designed and fabricated non-concentric magnetoplasmonic-disk/plasmonic-ring-resonator nanocavities supporting multipolar dark modes. The broken geometrical symmetry of the design enables coupling with free-space light and hybridization of dark modes of the ring nanoresonator with the dipolar localized plasmon resonance of the magnetoplasmonic disk. Such hybridization generates a multipolar resonance that amplifies the magneto-optical response of the nanocavity by ~1-order of magnitude with respect to the maximum enhancement achievable by localized plasmons in bare magnetoplasmonic nanoantennas. This large amplification results from the peculiar and enhanced electrodynamic response of the nanocavity, yielding an intense magnetically-activated radiant magneto-optical dipole driven by the low-radiant multipolar resonance. The concept proposed is general and, therefore, our results open a new path that can revitalize research and applications of magnetoplasmonics to active nanophotonics and flat optics.

研究动机与目标

• 克服磁等离子体纳米天线在磁光响应中固有的增强极限。
• 探索非同心纳米腔中暗等离子体模式在增强光-物质相互作用方面的潜力。
• 设计一种杂化的等离子体共振，以实现亚波长结构中磁光活性的高效激发。
• 开发一种基于增强磁光效应的通用平台，用于主动纳米光子学和超表面光学。

提出的方法

• 设计并制备具有几何对称性破缺的非同心磁等离子体盘/等离子体环形谐振器纳米腔。
• 利用环形谐振器中的多极暗模式，支持低辐射、高品质因子的共振。
• 调控磁等离子体盘的偶极局域等离子体共振与环形结构的暗模式之间的杂化。
• 通过对称性破缺耦合，利用自由空间照明激发杂化的多极共振。
• 采用偏振分辨光学光谱表征磁光响应，量化增强效果。
• 分析电磁响应，识别增强磁光偶极矩的物理起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 在结构化纳米腔中，暗等离子体模式是否能显著增强磁光活性，超越传统磁等离子体纳米天线的极限？
• RQ2 几何不对称性如何在纳米腔中实现暗等离子体模式与自由空间光的耦合？
• RQ3 偶极与多极等离子体共振之间的杂化在放大磁光响应中起什么作用？
• RQ4 该纳米腔的电磁响应在多大程度上可增强磁致激活的辐射偶极矩？
• RQ5 所提出的机制是否可推广至其他等离子体与磁光纳米结构？

主要发现

• 与裸磁等离子体纳米天线中局域等离子体所能达到的最大增强相比，该纳米腔中的杂化多极共振使磁光响应增强约一个数量级。
• 增强效应源于由低辐射、高品质因子多极共振驱动的强烈磁致激活辐射磁光偶极矩。
• 几何对称性的破坏实现了与自由空间光的高效耦合，从而可激发原本“暗”的模式。
• 该系统支持强烈的电磁响应，使磁光场增强集中在纳米腔区域。
• 观测到的增强效应归因于磁等离子体盘的偶极共振与环形谐振器多极暗模式的独特杂化。
• 所提出的结构设计具有普适性，为有源纳米光子学和超表面光学应用提供了新途径。