[论文解读] Synthesizing quasi-bound states in the continuum in epsilon-near-zero layered materials

Giuseppe Castaldi, Massimo Moccia+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 32被引用 5

一句话总结

本文提出了一种系统方法，可在指定频率、入射角和偏振态下，于介电常数接近零（ENZ）的层状材料中合成准束缚态在连续谱（quasi-BIC）。通过利用光子掺杂并分析关键参数，作者实现了高品质因数（Q因子）的共振，具有尖锐的光谱特性，从而在纳米光子学领域实现光捕获和传感等应用。

ABSTRACT

Bound states in the continuum (BIC) are highly confined, nonradiative modes that can exist in open structures, despite their potential compatibility and coupling with the radiation spectrum, and may give rise to resonances with arbitrarily large lifetimes. Here, we study this phenomenon in layered materials featuring epsilon-near-zero constituents. Specifically, we outline a systematic procedure to synthesize quasi-BIC resonances at given frequency, incidence angle and polarization, and investigate the role of certain critical parameters in establishing the quality factor of the resonances. Moreover, we also provide an insightful phenomenological interpretation in terms of the recently introduced concept of "photonic doping", and study the effects of the unavoidable material loss and dispersion. Our results indicate the possibility to synthesize sharp resonances, for both transversely magnetic and electric polarizations, which are of potential interest for a variety of nanophotonics scenarios, including light trapping, optical sensing and thermal radiation.

研究动机与目标

• 开发一种系统化程序，用于在期望的频率、入射角和偏振态下，合成ENZ层状结构中的准-BIC共振。
• 研究关键结构与材料参数对共振品质因数（Q）的影响。
• 利用“光子掺杂”概念，对TM偏振模的BIC形成提供现象学解释。
• 分析实际材料损耗与色散对共振性能的影响。
• 展示在对称三明治ENZ结构中，对TM与TE偏振态均可实现尖锐、高Q因子共振的可行性。

提出的方法

• 推导对称三明治结构（ENZ核心，介质包层）在TM与TE偏振态下的反射系数的精确解析表达式。
• 通过强制反射系数中的零点与极点重合，建立BIC条件，从而导出包层中传播常数正切函数的四次方程。
• 求解所得四次方程，识别出两类对应于BIC类共振的解，其中一类解在ε₁ = 0时对应于核心中的法布里-珀罗类共振。
• 应用光子掺杂概念，将TM偏振BIC的形成解释为ENZ介质中工程化介电扰动的结果。
• 通过参数研究评估Q因子对层厚度、介电常数值及入射角的敏感性。
• 通过在仿真中引入频率相关的介电常数与损耗正切，评估实际材料色散与损耗的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在给定频率、入射角和偏振态下，系统地合成ENZ层状材料中的准-BIC共振？
• RQ2 哪些关键的结构与材料参数决定了所产生共振的品质因数？
• RQ3 光子掺杂框架能否解释ENZ三明治结构中TM偏振BIC的出现？
• RQ4 材料损耗与色散如何影响实际应用中高Q因子准-BIC的性能与可行性？
• RQ5 在对称ENZ层状系统中，能否同时实现TM与TE偏振的高Q因子共振？

主要发现

• 已建立一种系统化合成程序，可在对称ENZ三明治结构中，针对任意频率、入射角与偏振态设计准-BIC共振。
• 对于TM偏振，光子掺杂框架提供了有效的现象学解释，将BIC的形成与ENZ介质中工程化介电扰动联系起来。
• 共振的Q因子对包层与核心层厚度以及相对介电常数值高度敏感，最优结构配置可使Q因子趋近理论极限。
• 在对称三明治结构中，TM与TE偏振的高Q因子共振均可实现，展现出偏振多样性。
• 材料色散与损耗会降低可实现的Q因子，但该方法在实际条件下仍具鲁棒性，支持在纳米光子器件中的实际应用。
• 结果证实，可在ENZ材料中工程化实现尖锐共振，支持光捕获、光学传感与窄带热辐射等应用。