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新型可调“超器件”:基于相变材料的纳米天线

发布时间:2019-01-24作者:浏览次数:84


2019
123日,Nature Communications在线发表浙江大学光电科学工程学院仇旻教授研究团队与南丹麦大学Sergey I. Bozhevolnyi教授研究团队合作的研究工作,题为Active control of anapole states by structuring the phasechange alloy Ge2Sb2Te5。该研究首次提出利用相变材料Ge2Sb2Te5(GST)构建纳米天线结构,在中红外波段实现多极子米氏谐振的主动调控和宽带范围内的模式切换,该成果将为研发新型可调控纳米光学器件提供新的基础。

1959
年,著名物理学家理查德费曼曾在美国物理学年会上发表题为“There’s plenty of room at the bottom”的著名演说,勾画纳米科学发展的宏伟蓝图。其中关于光波纳米天线的构想也随着微纳加工技术的发展与进步,成为现今纳米科技领域的重要研究内容。近年来,基于高折射率、低损耗的全介质及半导纳米天线结构在纳米科技学领域引起了广泛兴趣。通过激发结构内的多级电、磁米氏谐振,光与物质的相互作用得到显著增强,光场的幅度、相位及偏振在纳米尺度上得到有效调控。因而,该类结构在构建惠更斯超表面、单光子光源以及生化传感等方面拥有广阔的应用前景。此外,该类纳米天线结构也逐渐成为研究多种崭新物理现象的重要媒介。

迄今为止,绝大多数纳米天线都是“被动型”材料构建的。虽然最近有一小部分工作提出利用相变材料构建二维纳米结构阵列(光栅结构,超表面结构)实现对光的调控,但是对其中单个基本结构的光学特性的研究(例如,结构内究竟激发出了什么样的模式)却是缺失的。

最近,科学家在该类结构中论证并观测到一种有别于传统米氏谐振(例如,电偶极子模式和磁偶极子模式)的非辐射模式(
anapole state),这一发现很快催生出隐身、纳米激光器和超材料等诸多领域的相关研究及应用。


所谓“兵无常势,水无常形。长制不可以待变化,一涂不可以应万方。”考虑到多极子米氏谐振带来的各种有趣现象,利用既定结构在外加激励下调控甚至切换不同谐振模式将有助于更加自如地调控光,解锁新的可能性。然而,迄今为止,大多数研究工作依然专注于不可调的被动型纳米结构研究或者仅仅实现极其有限的调控特性,主动的宽带多模式切换依旧是一个尚待探索的难题。


图:Ge2Sb2Te5纳米天线结构中散射亮模与散射暗模的宽带主动切换


针对这一难题,本研究采用高折射率的相变材料
GST基于严格的多极子散射理论模型,论证即使是简单的GST纳米天线结构(例如球状结构),也可以支持多样的电磁米氏谐振模式;并且通过加热引发GST相变,使其折射率发生显著变化(∆nmax ~ 2),可以实现多模的主动调控和切换。成果具体阐述GST纳米天线结构内一种散射亮模式(电偶极子模式)和一种散射暗模式(anapole state)间的主动切换(图1a和图1b)。实验上,在中红外宽带范围内(∆λ/λ  15%)实现从电偶极子模式到一阶散射暗模式的稳定切换(图1c)。并以此为基础,系统性地研究多阶亮、暗模式的多光谱切换特性。该成果将为未来实现可重构及可调控的“超器件”(metadevice)开辟道路。

浙江大学光电科学工程学院的博士生田静逸和罗皓为该研究的共同第一作者,仇旻教授和南丹麦大学博士后杨源清为该研究的通讯作者。参与该研究的作者还有南丹麦大学
Sergey I. Bozhevolnyi教授及其研究团队的博士后丁飞,浙江大学光电科学工程学院的博士生曲俞睿和丹麦技术大学的博士后赵鼎
 


论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-018-08057-1