Высококачественные Фано-резонансы в стекированном резонаторе из серебряного нанокольца и полунанокольца

Аннотация

Сообщается о плазмонной наноструктуре, генерирующей острые Фано-резонансы за счет вертикального стекирования полного серебряного нанокольца и полунанокольца. Дизайн возбуждает субрадиационные моды при нормальном падении, порождая новый режим вращения и настраиваемый спектральный отклик. Высококачественные резонансы (high-Q) достигаются в ближнем ИК, демонстрируя сильный потенциал для интеграции в наноразмерные сенсоры и фотонные схемы.

Введение

Поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) обеспечивают беспрецедентный контроль свет-вещество взаимодействий на наномасштабе, двигая нанофабрикацию, оптическую характеристику и полно-полевое вычислительное электродинамику. Эти достижения расширили понимание локализованных плазмонных резонансов в металлических наноструктурах: дисках, треугольниках, стержнях, кольцах. Фано-резонансы, возникающие из интерференции широких и узких каналов возбуждения, демонстрированы в сборках кольцо-стержень, плазмонных олигомерах, несферических кластерах, графеновых устройствах, квантовых точках. Однако достижение Фано-резонансов на конкретных длинах волн остается сложным из-за сложной гибридизации доступных мод и эффектов запаздывания, зависящих от угла падения. Эти факторы ограничивают активацию высших порядков или пространственно расширенных мод, критичных для высокопроизводительных наноплазмонных устройств. Настоящее исследование вводит стекированную нанокольцо/полунанокольцо систему, обходящую эти ограничения за счет эффективной связи субрадиационных мод при нормальном падении, обеспечивая надежную настраиваемость и высокие качественные факторы для практических применений.

Методы

Структура состоит из серебряного нанокольца (внутренний радиус 310 нм, внешний 400 нм, толщина 40 нм), стекированного на серебряное полунанокольцо тех же размеров. Полунанокольцо повернуто на угол θ относительно оси y, создавая спиралевидную конфигурацию. Период массива 1000 нм, показатель преломления подложки 1. Численные моделирования в Lumerical FDTD Solutions с пространственной сеткой 1 нм (Δx=Δy=Δz=1 нм) и полу-сеткой в направлении толщины. Плоская волна, поляризованная по y, распространяющаяся по −z, освещает элементарную ячейку с идеально согласованными слоями в z и периодическими граничными условиями в x и y. Оптические константы серебра по Johnson-Christy.

Результаты и обсуждение

Рис. 2a и 2c — спектры пропускания изолированного нанокольца и полунанокольца. Нанокольцо поддерживает третьепорядковый суперрадиационный режим при 1027 нм (A), полунанокольцо — первый порядок дипольный резонанс при 1297 нм (B). Фано-профиль в нанокольце возникает от гибридизации дискового диполя (D_D) с анти-точкой (D_H), образуя связанное (D_B) и антисвязанное (D_AB) состояния (рис. 2b). Карты электрического поля подтверждают различные зарядовые распределения для этих мод.

Стекирование полунанокольца на нанокольцо (рис. 1) дает связанную систему, где второй порядок Фано-резонанс появляется при 1160 нм, тогда как третий порядок при 1027 нм остается практически неизменным (рис. 3a–c). Сильный синий сдвиг фундаментального режима в стекированной конфигурации позволяет активировать четный порядок резонанс. Качественные факторы (Q) исключительно высоки: Q = 82,8 для второго порядка (FWHM = 14 нм) и Q = 114 для третьего порядка (FWHM = 9 нм). Эти значения превосходят ранее сообщаемые Q = 20–62 в похожих плазмонных системах. Времена дефазировки, рассчитанные из T_r = 2ħ/Γ_L, составляют 0,10 пс (второй порядок) и 0,12 пс (третий порядок), значительно выше типичных 10 фс для обычных Фано-резонансов, подтверждая надежность стекированного дизайна.

Поворот полунанокольца на малый угол θ вводит режим вращения (m_r), дополнительно расщепляющий Фано-резонансы. При θ = 5° появляются три асимметричные впадины (рис. 4a). Карты зарядовых распределений (рис. 4b–d) подтверждают, что режим вращения исходит от гибридизации первого порядка полунанокольца со вторым порядком нанокольца. По мере увеличения θ вращательный резонанс смещается к большим длинам волн, второй порядок ослабевает из-за уменьшения дипольного перекрытия по оси y. Рис. 5 демонстрирует: при θ = 30° режим вращения становится заметным, генерируя отдельный Фано-профиль рядом с остальными резонансами.

Результаты показывают, что стекированная платформа нанокольцо/полунанокольцо дает беспрецедентный контроль над множественными Фано-резонансами, включая возможность вкл/вык конкретных мод простым поворотом полунанокольца. Высокие Q-факторы и длительные времена дефазировки делают эту структуру привлекательной для ультракомпактных высокочувствительных сенсоров и накристаллических фотонных приложений.

Заключение

Мы представили серебряную наноструктуру, состоящую из полного нанокольца, стекированного с полунанокольцом, поддерживающую множественные высококачественные Фано-резонансы в ближнем ИК. Резонансы высоко настраиваемы через угол поворота полунанокольца, предоставляя прямой путь модуляции спектральных признаков по запросу. Достигнутые Q-факторы (до 114) и времена дефазировки (~0,1 пс) подчеркивают пригодность этой архитектуры для наномасштабных сенсоров и интегрированных фотонных устройств.