高品质微腔上纳米天线协作相互作用实现单向光源

　　 近日，荷兰阿姆斯特丹大学纳米光子学中心的Kévin G. Cognée，Hugo M. Doeleman和A. F. Koenderink与法国波尔多大学的Philippe Lalanne合作在《Light: Science Applications》期刊上发表了题为Cooperative interactions between nano-antennas in a high-Q cavity for unidirectional light sources的文章。他们设计并实验制造了一种高品质因子的等离子体—光子混合模式谐振腔，该混合模式谐振腔是在氮化硅微盘上布置成对的等离子体天线（铝天线二聚体）实现的。该系统利用谐振腔模式能够实现谐振偶极—偶极相互作用，通过预测和测量谐振线宽和频移可以明显观察到这种相互作用。同时，他们把相控阵天线的物理概念引入到等离子体—光子混合谐振腔中，预测到相比于单个天线，该系统能够构造出显著增强的局域态密度，联系到向腔内单向注入荧光的意义上来，这种增强是手性的。并且实验结果直接验证了所预测的偶极天线耦合的协作效应，该效应是天线间距对混合模式品质因数和谐振条件的函数。

　　 研究背景

　　 在微纳光子学领域，调控光学谐振腔得到我们想要的品质因子Q和模式体积V具有非常重要的意义，因为它能够实现腔量子电动力学和非线性光学领域中的对光与物质相互作用的调控。尤其重要的是想要独立地控制单个光子的场强度，谐振腔的线宽以及谐振耦合的远场辐射通道。比如，当在控制谐振腔内量子辐射源的自发辐射速率和控制Purcell因子的同时，还要调节腔与辐射源谐振，来确保腔的线宽与辐射源的线宽匹配以及光子的发射在一个高效率的通道上发生。近十年间的研究发现，一方面等离子体能够实现强局域化，另一方面光学微腔能够提供很高的品质因子。那么最近就有研究人员在探索一种等离子体—光子混合谐振腔，它既保持了等离子体成分带来的深度亚波长的局域效应，又继承了光学微腔高品质因子的特性。近期就有理论预言了这种杂化混合能够产生更大的Purcell因子的同时保证了Q值与光学微腔在同一个数量级上，并且模式体积也得到提高。

　　 创新研究

　　 文章中的工作考虑的是多个金属纳米粒子与光学微腔的杂化混合，这种体系具有三个创新点。第一点是它实现了谐振腔中偶极—偶极相互作用导致的协同散射，为量子光学中重要的协同辐射问题提供了一种经典的初级形式。第二点是从天线的角度来看，将相控阵天线的概念引入到杂化混合系统中，不仅实现了对Purcell因子的增强，还对远场辐射通道进行了分配。第三点是研究杂交混合系统的腔模式，实现了Wiersig观点中的等离子体实现的第一步，该观点提出回音壁模式微腔上的介电散射体能够支持与特殊点(exceptional point)相关的手性本征模式。

　　 图1 微盘腔上天线二聚体的等离子体-光子杂化混合结构 (a)扫描电镜照片，插图是完整的微盘腔照片；(b)结构的几何图形，(c, d)对称和反对称混合模式

　　 图2 预测天线二聚体微盘腔系统的辐射增强和方向性 (a)局域态密度增强是用腔模场分布的方位角周期表示的天线间隔和频率的函数；(b)辐射进腔的方向性；(c, d)局域态密度增强（黑色虚线）和方向性（橘红色实线）；(e, f)模拟的强度；(g, h)布置有铝天线的微盘上表面的电场径向成分的相位

　　 图3 天线二聚体微盘腔系统的复本征频率 (a)本征频率的实部；(b)本征频率的虚部，对称模式（蓝色），反对称模式（红色）；(c, d, e) 振幅；(f, g, h)相位

　　 图4 实验装置示意图，使用窄带宽可调谐二极管激光器和锥形光纤激励微盘腔，同时将物镜收集到的锥型光纤的反射，透射和向外散射记录到相机或光电二极管上

　　 图5 天线二聚体微盘腔系统的散射特性和本征频率 (a)偶极图解释对称简并准正规模式的远场辐射；(b, c)预测对称和反对称简并准正规模式的近似角辐射模式；(d)锥型光纤的透射（红色）和反射（蓝色）的二极管信号；(e)记录到的辐射图像；(f)谐振频率；(g)线宽，对称模式（蓝色），反对称模式（红色）

　　 图6 模式劈裂与天线间距之间的关系 (a)对称模式与反对称模式的谐振频率差；(b)对称与反对称模式的线宽之差；(c)很强蓝失谐天线的谐振频率差（蓝色）和线宽之差（红色）；(d)对称与反对称模式的独立线宽；(e)方位角模式数；(f)极坐标表示下的测量值

　　 （来源：科学网 OSANJU 唐磊）

　　 相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-019-0227-x

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