[论文解读] Plasmonic Bound States in the Continuum to Tailor Light-Matter Coupling

Andreas Aigner, Andreas Tittl+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2022

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 4

一句话总结

本文提出了一种三维激光纳米打印的等离子体纳米鳍超表面，通过面外对称性破缺实现高品质因数（最高 Q = 180）的连续谱束缚态（BICs）。通过调节纳米鳍元原子的三角形角度，研究人员精确控制辐射损耗与本征损耗的比率，从而实现像素化分子传感中欠耦合、临界耦合和过耦合三种工作状态，对应分析物诱导的负、零或正调制。

ABSTRACT

Plasmon resonances play a pivotal role in enhancing light-matter interactions in nanophotonics, but their low-quality factors have hindered applications demanding high spectral selectivity. Even though symmetry-protected bound states in the continuum with high-quality factors have been realized in dielectric metasurfaces, impinging light is not efficiently coupled to the resonant metasurfaces and is lost in the form of reflection due to low intrinsic losses. Here, we demonstrate a novel design and 3D laser nanoprinting of plasmonic nanofin metasurfaces, which support symmetry-protected bound states in the continuum up to 4th order. By breaking the nanofins out-of-plane symmetry in parameter space, we achieve high-quality factor (up to 180) modes under normal incidence. We reveal that the out-of-plane symmetry breaking can be fine-tuned by the triangle angle of the 3D nanofin meta-atoms, opening a pathway to precisely control the ratio of radiative to intrinsic losses. This enables access to the under-, critical-, and over-coupled regimes, which we exploit for pixelated molecular sensing. Depending on the coupling regime we observe negative, no, or positive modulation induced by the analyte, unveiling the undeniable importance of tailoring light-matter interaction. Our demonstration provides a novel metasurface platform for enhanced light-matter interaction with a wide range of applications in optical sensing, energy conversion, nonlinear photonics, surface-enhanced spectroscopy, and quantum optics.

研究动机与目标

• 克服传统等离子体共振的低品质因数问题，以提升纳米光子器件的光谱选择性。
• 实现在正入射条件下高效激发高Q值等离子体连续谱束缚态（BICs），这些态通常因对称性约束而难以激发。
• 开发一种设计策略，实现对等离子体超表面中辐射损耗与本征损耗通道的精确控制。
• 利用单一平台实现可调谐的光-物质耦合模式——欠耦合、临界耦合和过耦合，以支持先进传感应用。
• 实现具有高光谱与空间控制能力的三维纳米打印等离子体超表面平台，适用于传感、能量转换和量子光学等应用。

提出的方法

• 作者采用三维激光纳米打印技术，制备具有精确几何控制的等离子体纳米鳍超表面，包括元原子的三角形角度。
• 通过在纳米鳍结构中引入面外对称性破缺，打破简并性，实现在正入射下激发高Q值BIC模式。
• 将纳米鳍的三角形角度作为可调参数，以控制辐射损耗与本征损耗的比率，从而调节耦合模式。
• 利用理论建模与仿真预测不同几何参数下的Q值与耦合行为。
• 实验表征证实了高Q值BIC模式的存在（最高Q = 180），并验证了欠耦合、临界耦合与过耦合模式之间的转换。
• 通过测量分析物诱导的透射调制，实现了像素化分子传感，其调制特性依耦合模式不同而呈现负、零或正变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过对称性保护设计，在正入射条件下实现高品质因数的等离子体连续谱束缚态？
• RQ2 如何独立调控等离子体超表面中的辐射损耗与本征损耗通道，以控制光-物质耦合？
• RQ3 面外几何不对称性在实现等离子体纳米结构中高Q值BIC模式方面起到何种作用？
• RQ4 能否通过纳米鳍几何结构实现对耦合模式（欠耦合、临界耦合、过耦合）的实验可访问与控制？
• RQ5 耦合模式如何影响等离子体超表面在传感应用中对分子吸附的响应？

主要发现

• 所制备的等离子体纳米鳍超表面支持连续谱束缚态，其品质因数最高达180，显著提升了光谱选择性。
• 通过调节纳米鳍的三角形角度实现面外对称性破缺，可控制辐射损耗与本征损耗的比率，从而实现所有三种耦合模式。
• 系统展示了由分析物诱导的透射调制，其符号可为负、零或正，取决于耦合模式，证实了可调谐的光-物质相互作用。
• 三维激光纳米打印技术实现了复杂等离子体元原子的精确制造，具有高结构保真度与可重复性。
• 该平台实现了具有空间可寻址耦合模式的像素化分子传感，为无标记生物传感提供了新能力。
• 本研究确立了一类新型等离子体超表面，适用于非线性光子学、表面增强光谱学和量子光学等应用。