Metafícies Plasmonicas Híbridas de Acoplamento In-Plane e Out-of-Plane para Atividade Óptica Aprimorada

Resumo

Metafícies plasmonicas têm atraído muita atenção nos últimos anos devido a promissoras perspectivas de aplicações como comutação de polarização, aumento de campo elétrico local (FE), absorção quase perfeita, sensoriamento, dispositivos de luz lenta e nanoantenas. No entanto, muitos problemas nessas aplicações — como velocidades de comutação apenas na ordem de gigahertz de interruptores eletro-ópticos, baixo fator de qualidade (Q) de ressonâncias plasmonicas e figura de mérito (FOM) relativamente baixa de sensoriamento — limitam severamente o desenvolvimento futuro de metafícies plasmonicas. Além disso, funcionando como nanoantenas, também é desafiador realizar simultaneamente aumento de campo elétrico local superior a 100 e absorção quase perfeita acima de 99%. Aqui, usando respectivamente o método de elementos finitos e o método de diferenças finitas no domínio do tempo, relatamos pela primeira vez uma nova metafície plasmonica opticamente sintonizável baseada na hibridização de acoplamento de campo próximo in-plane e out-of-plane, que oferece uma boa solução para esses problemas sérios e urgentes. Um fenômeno físico de transparência induzida eletromagneticamente (EIT) é obtido pela interferência destrutiva entre dois modos plasmonicos. Ao mesmo tempo, picos de absorção perfeita ultranítidos com fator de qualidade ultra-alto (221,43) são alcançados em torno de 1550 nm, o que pode levar a um FOM ultra-alto (214,29) em aplicações de sensoriamento. Particularmente, usando CdO dopado com índio, esta metafície também é demonstrada pela primeira vez como um polarizador reflexivo óptico de femtossegundos na região do infravermelho próximo, possuindo uma razão de extinção de polarização ultra-alta. Enquanto isso, operando como nanoantenas, esta metafície atinge simultaneamente forte aumento de campo elétrico local (|E_loc|/|E_0| > 100) e absorção quase perfeita acima de 99,9% pela primeira vez, o que beneficiará uma ampla gama de aplicações incluindo divisão fotocatalítica de água e absorção infravermelha aprimorada por superfície.

Fundamentação

Metafícies plasmonicas, como versões bidimensionais de metamateriais, têm uma ampla gama de fenômenos e aplicações promissoras incluindo comutação de polarização, rotador de feixe, ressonância de Fano, nanoantenas, índice de refração negativo, absorvedores quase perfeitos e camuflagem por invisibilidade. Especialmente, muita atenção tem sido dedicada ao estudo do fenômeno de transparência induzida eletromagneticamente (EIT) e ressonância de Fano baseados em metafícies plasmonicas devido a muitas aplicações potenciais como espalhamento Raman aprimorado por superfície (SERS), absorção infravermelha aprimorada por superfície (SEIRA), sensoriamento de índice de refração e armazenamento de informação quântica. Os conceitos de EIT e ressonância de Fano foram originalmente descobertos em sistemas quânticos. EIT é obtido pela interferência destrutiva entre dois modos plasmonicos em sistema clássico. Então, se o EIT é gerado quando um modo plasmonico mais estreito interfere destrutivamente com um modo mais amplo, o espectro resultante terá uma forma de linha de Fano. Zhang et al. realizaram pela primeira vez ressonância de Fano e EIT em uma nanoestrutura plasmonica com um elemento brilhante e um escuro em um plano. No entanto, para a maioria das metafícies plasmonicas relatadas baseadas em acoplamento plasmonico in-plane operando na região visível ou infravermelho próximo (NIR), a força de acoplamento é determinada pelo tamanho preciso da lacuna entre elementos ressonantes, mas alcançar lacunas sub-10-nm precisas ainda é um desafio devido às limitações da tecnologia de fabricação atual. Mas essas nanoestruturas dependem fortemente da minúscula distância interpartícula, o que não é favorável à produção em larga escala. Diferente da metafície baseada no efeito de acoplamento in-plane, Liu et al. demonstraram experimentalmente EIT plasmonico usando empilhamento vertical de elementos de metamaterial pela primeira vez. Subsequentemente, vários metamateriais (ou metafícies) baseados no projeto planar ou vertical de nanoestruturas plasmonicas foram recentemente propostos e demonstrados para alcançar fenômenos do tipo EIT e ressonâncias de Fano. Amin et al. demonstraram forma de linha espectral assimétrica do tipo Fano e uma janela estreita de EIT na resposta do ressonador construído usando tanto a moldura de ouro quanto o remendo de grafeno em um plano. No entanto, o fator de qualidade da ressonância de Fano nesta estrutura metálica é muito baixo devido às perdas ópticas no metal que causam alargamento significativo das ressonâncias plasmonicas, o que também é um problema extremamente comum em nanoestruturas plasmonicas usando metais. Para nosso conhecimento, os fatores Q da maioria das ressonâncias de Fano relatadas na região visível e NIR são geralmente inferiores a 10. Recentemente, Dayal et al. demonstraram metafícies metálicas baseadas em modo de galeria sussurrante realizando ressonâncias de Fano plasmonicas de alto Q (alcançando 79) em frequências NIR. No entanto, essa ressonância de Fano relatada só pode ser alcançada em um comprimento de onda específico, que também é outro problema comum restringindo seriamente os desenvolvimentos e aplicações futuras da ressonância de Fano ou fenômenos EIT. A manipulação ativa da ressonância de Fano ou janela EIT é altamente desejável para muitas aplicações práticas. Xia et al. projetaram e demonstraram numericamente um sistema PIT sintonizável composto por camadas de grafeno planares e curvas sinusoidalmente, que pode evitar qualquer padrão da folha de grafeno. Em 2017, Yang et al. experimentalmente alcançaram uma ressonância de absorção altamente controlável com alto fator de qualidade, que foi demonstrada pela primeira vez como uma comutação de polarização óptica de femtossegundos baseada em uma metafície plasmonica na região do infravermelho médio. Além disso, um aumento máximo de campo elétrico atingindo 41,8 também foi observado neste trabalho. É desejável empregar nanoantenas plasmonicas que resultem não apenas em "pontos quentes" com grande aumento de campo local, mas também em absorção quase perfeita. Embora tenha havido tremendo progresso na exploração do aumento do aumento de campo elétrico local e melhoria da absorção, alcançar simultaneamente fortes aumentos de campo elétrico local (|E_loc|/|E_0| > 100) e absorção quase perfeita (> 99%) ainda permanece um desafio, o que beneficiará uma ampla gama de aplicações incluindo sensores plasmonicos, divisão fotocatalítica de água, SERS e SEIRA. Por outro lado, exceto pela comutação de polarização relatada por Yang et al., a maioria dos dispositivos seletivos de polarização tradicionais, como placas de onda e polarizadores baseados em efeitos eletro-ópticos, são estáticos ou operam com velocidades de comutação apenas na ordem de gigahertz, limitados pela eletrônica necessária. Assim, para os fenômenos ou aplicações de efeito EIT, ressonância de Fano e nanoantenas plasmonicas baseados em uma metafície plasmonica, a maioria dos trabalhos relatados anteriormente geralmente sofre destes problemas sérios e urgentes: (i) alargamento das ressonâncias plasmonicas devido a grandes perdas ópticas em metais; (ii) comprimento de onda de operação não ajustável do efeito EIT ou ressonâncias de Fano; (iii) o desafio de alcançar simultaneamente fortes aumentos de campo elétrico local (|E_loc|/|E_0| > 100) e absorção quase perfeita (> 99%); (iv) geralmente, apenas velocidades de comutação de gigahertz de dispositivos seletivos de polarização operando na região visível ou NIR.

Neste trabalho, usando diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) e método de elementos finitos (FEM) respectivamente, propomos e demonstramos numericamente uma metafície plasmonica opticamente ativa baseada na hibridização de acoplamento in-plane e out-of-plane. Neste sistema de metafície, o efeito do tipo EIT pode ser alcançado quebrando a simetria da estrutura, e o comprimento de onda de operação das janelas EIT pode ser sintonizado alterando o índice de refração da camada de CdO, que pode ser controlado ópticamente sintonizando a luz de bomba. Neste espectro de reflexão do tipo EIT, uma ressonância plasmonica de alto fator Q é obtida em um comprimento de onda de 1550 nm, que é muito maior do que a de trabalhos relatados anteriormente. Particularmente, devido à independência de polarização da metafície, esta metafície plasmonica usando cádmio dopado com índio também pode funcionar como um interruptor de polarização de femtossegundos para luz polarizada TM a 1550 nm. Ao sintonizar a luz de bomba, deslocamos espectralmente as ressonâncias plasmonicas para o vermelho, e a metafície atinge uma grande profundidade de modulação da reflexão da luz polarizada TM de 0,003 a 60%, enquanto mantém uma reflexão próxima de um para a onda polarizada TE. Para nosso conhecimento, tal grande profundidade de modulação é muito maior do que a de sistemas de comutação plasmonica relatados anteriormente. Note que o interruptor de polarização de femtossegundos é demonstrado numericamente pela primeira vez baseado na metafície plasmonica via hibridização de acoplamento in-plane e out-of-plane. Ao mesmo tempo, esta metafície pode atingir absorção quase perfeita acima de 99,9% e aumento máximo de campo elétrico atingindo 108 simultaneamente, e o forte aumento elétrico é confinado dentro de uma área circular com diâmetro de apenas 3 nm, o que é muito benéfico para detecção de molécula única para muitas espectroscopias aprimoradas por superfície. Além disso, devido à sensibilidade à mudança de índice de refração e à ressonância plasmonica ultranítida, esta metafície também pode funcionar como um sensor de índice de refração de figura de mérito (FOM) ultra-alta.

Métodos

A metafície proposta é esquematicamente mostrada na Fig. 1a. A Figura 1b apresenta a seção transversal de uma célula unitária da metafície com parâmetros geométricos, que consiste em dois grupos de barras de ouro e uma camada de polímero. Cada grupo tem duas barras de ouro separadas por uma nanofenda. Um grupo de barras de ouro é colocado sobre a camada de polímero, e o outro grupo de barras de ouro foi incorporado na camada de polímero. A array assimétrica de nanobarras de ouro é arranjada periodicamente sobre o substrato de ouro espesso com uma periodicidade de P = 1395 nm. A metafície proposta é iluminada por luz magnética transversal (TM) incidente normalmente (o componente magnético perpendicular à luz incidente). Neste cálculo, para garantir a confiabilidade e precisão dos resultados simulados, empregamos os métodos FDTD e FEM para calcular as propriedades ópticas e distribuições de campo eletromagnético da metafície proposta, respectivamente. O cálculo FEM é realizado pelo software comercial COMSOL MULTIPHYSICS. A condição de contorno periódica é aplicada na direção x e definimos a camada perfeitamente casada (PML) no limite da direção y. O tamanho da malha é 0,8 nm nas direções x e y. A permissividade do Au é descrita pelo modelo Drude, e o índice de refração do polímero é 1,5. O fundo da simulação é assumido no ar com n_ar = 1. A absorção é dada por A = 1 - R, devido a um substrato de Au opaco (T = 0).

Resultados e Discussão

Como mostrado na Fig. 2a, calculamos e representamos os espectros de reflexão e absorção da metafície proposta em torno de 1550 nm em incidência normal sob luz polarizada TM. Para o espectro de absorção, existem dois picos de absorção distintos localizados em 1550 e 1588 nm com eficiência de absorção quase perfeita acima de 99,9%, respectivamente. Do espectro de reflexão mostrado na Fig. 2b, observamos uma resposta espectral do tipo EIT desta metafície neste intervalo de comprimento de onda, e os mesmos resultados de espectros de reflexão são demonstrados usando FDTD e FEM, respectivamente. O espectro de reflexão da metafície proposta sob polarização TE (o componente elétrico perpendicular ao plano de incidência) também é apresentado na Fig. 2b com uma linha preta, e a reflexão é próxima de um indicando que nenhuma absorção ocorre nesta metafície para polarização TE. A dependência de polarização desta metafície pode ser facilmente explicada pelo design assimétrico da metafície proposta. Portanto, esta metafície acopla eficientemente para polarização TM e permanece escura para polarização TE.

Para explicar facilmente o fenômeno do tipo EIT da metafície proposta na Fig. 2a, consideramos inicialmente uma metafície relativamente simples sem nanofenda mostrada na Fig. 2c, que é composta por duas nanobarras de ouro com diferentes distâncias do substrato de ouro. O espectro de reflexão desta metafície sem nanofenda é calculado e representado na Fig. 2d. Claramente, uma resposta espectral do tipo EIT com forma de linha assimétrica emerge, que pode ser devida ao efeito de acoplamento entre as duas barras de ouro. Então, o processo de quebra de simetria (Fig. 3a-c) da estrutura é investigado para esclarecer o processo de formação subjacente da janela do tipo EIT. As variações dos espectros reflexivos com mudança de Δd são calculadas e representadas na Fig. 3d. Para Δd = 0, há apenas um mergulho de reflexão em torno de 1653 nm na banda de trabalho, como mostrado na Fig. 3e. À medida que Δd aumenta, notamos que aparecem a resposta espectral do tipo EIT com dois mergulhos de reflexão (ω_Left e ω_Right). Se aumentarmos ainda mais Δd, o modo ω_Left pode ser ainda mais aprimorado, e esses resultados calculados indicam que o modo ω_Left pode ser muito relevante à nanobarra de ouro A. Ao mesmo tempo, com o aumento de Δd, o comprimento de onda de ressonância do modo ω_Left mostra leve deslocamento para o vermelho, e o comprimento de onda de ressonância do modo ω_Right permanece quase sem mudança em torno de 1653 nm. Através da análise acima, a geração de fenômenos do tipo EIT pode ser atribuída à assimetria da nanoestrutura. Além disso, para interpretar a ressonância plasmonica a 1395 nm nos espectros de reflexão mostrados na Fig. 3d, g, os espectros de reflexão são comparados entre a metafície projetada e a estrutura de grade metálica (ver inserção da Fig. 3g). Para a estrutura de grade metálica, também há um mergulho de ressonância a 1395 nm, resultante da excitação de polaritons de plasmon de superfície (SPP) de estudos relatados anteriormente. Assim, a ressonância plasmonica desta metafície a 1395 nm é causada pela excitação de SPP.

Então, também investigamos respectivamente os espectros de reflexão da metafície construída usando sistemas de nanobarra acoplados a filme com apenas a nanobarra de ouro A e a nanobarra de ouro B, como mostrado na Fig. 4a, b. Quando excitados com luz incidente TM separadamente, um modo plasmonico mais estreito (ω_A) é excitado na metafície com nanobarra de ouro A, e um modo plasmonico mais amplo (ω_B) é observado na metafície com nanobarra de ouro B. Para ilustrar mais claramente o mecanismo físico por trás desses dois modos plasmonicos, calculamos respectivamente as distribuições de campo magnético nestes dois mergulhos de reflexão, como mostrado na Fig. 4c, d. As setas vermelhas apresentam correntes enquanto o mapa de cores apresenta a magnitude do campo magnético. Para o modo ω_A mostrado na Fig. 4a, pode-se observar que o campo magnético está confinado na lacuna entre a nanobarra de ouro A e o substrato de ouro. Além disso, correntes anti-paralelas são observadas nas interfaces metálicas internas superior e inferior. Portanto, o modo plasmonico está principalmente associado à ressonância magnética causada por correntes circulantes, e a energia da luz incidente é dissipada pela perda ôhmica do metal, causando o mergulho de reflexão no modo ω_A. Então, para o modo ω_B na Fig. 4b, as correntes circulantes estão na direção oposta à das correntes do modo ω_A, que também pode excitar a ressonância magnética. Para o sistema de nanobarra acoplado a filme com ambas as nanobarras de ouro A e B, o fenômeno na Fig. 5a também pode ser tratado como ressonâncias duplas de Fano com dois mergulhos de reflexão (ω_Left e ω_Right) devido à forma de linha assimétrica. Esta forma de linha espectral assimétrica do tipo Fano e uma janela do tipo EIT é obtida da interferência destrutiva entre o modo plasmonico mais estreito (ω_A) mostrado na Fig. 4a e o modo plasmonico mais amplo (ω_B) mostrado na Fig. 4b. Para nosso conhecimento, ressonâncias de Fano são observadas pela primeira vez em arrays artificialmente estruturados de ressonadores de mesma forma com posições assimétricas.

Para explorar ainda mais o mecanismo físico por trás dessas duas ressonâncias plasmonicas (ω_Left e ω_Right) mostradas na Fig. 4c, o campo magnético H e as distribuições de campo elétrico |E_loc|/|E_0| nos comprimentos de onda dessas duas ressonâncias são calculados e representados na Fig. 5. Por um lado, de acordo com a Fig. 5b, c, os campos magnéticos estão principalmente localizados na camada dielétrica entre as nanobarras de ouro e o substrato de ouro, que é a característica chave do acoplamento out-of-plane entre as barras de ouro e o substrato de Au. Claramente, diferentes distribuições de campo são observadas para essas duas ressonâncias excitadas em dois picos de absorção. Para o modo ω_Left, o campo magnético está localizado na lacuna entre a nanobarra de ouro A e o substrato de ouro, indicando que o modo ω_Left está intimamente relacionado ao acoplamento out-of-plane entre a nanobarra de ouro A e o substrato de ouro, que é semelhante mas não o mesmo que o campo magnético do modo ω_A na Fig. 4c devido ao acoplamento entre o modo ω_A e ω_B. Para o modo ω_Right, o campo magnético está localizado na nanolacuna entre a nanobarra de ouro B e o substrato. Portanto, o modo ω_Right é principalmente contribuído pelo acoplamento out-of-plane entre a nanobarra de ouro B e o substrato de ouro. Por outro lado, os campos elétricos são fortemente aumentados e localizados em uma área ultrapequena nas bordas das barras de ouro. Então, exceto pelos fenômenos físicos de EIT, esta metafície também pode ser tratada como nanoantenas plasmonicas (PNs), confinando luzes incidentes de espaço livre em região subcomprimento de onda com o aumento de campo local, que é uma pesquisa muito importante e fundamental para sistemas nanofotônicos. Aqui, o fator |E_loc|/|E_0| é definido para avaliar o desempenho de aumentos de campo elétrico local de PNs. Como mostrado na Fig. 5d, e, os aumentos de campo elétrico local da metafície podem atingir até 75. No entanto, embora aumentos de campo elétrico local sejam alcançados usando sistemas de nanobarra acoplados a filme, de acordo com a Fig. 4c, ainda há uma quantidade considerável de trabalho a ser feito para realizar uma absorção quase perfeita, o que resulta em uma pequena profundidade de modulação. De pesquisas anteriores, sabemos que alcançar tanto grande aumento de campo elétrico local quanto absorção quase perfeita beneficiará uma ampla gama de aplicações, incluindo sensores plasmonicos, divisão fotocatalítica de água, SERS e SEIRA. Além disso, esta estrutura de metafície mostra uma largura de linha relativamente mais ampla. Como o fator Q de ressonância plasmonica é definido como Q = λ/largura total a meia altura (FWHM), uma ressonância mais ampla levará a um Q plasmonico mais baixo. Portanto, o FWHM amplo e a pequena profundidade de modulação daquelas ressonâncias podem prejudicar aplicações como sensoriamento de índice de refração, comutação de polarização e desaceleração da luz, onde uma resposta espectral aguda é desejada.

Para realizar simultaneamente grande aumento de campo elétrico local, absorção quase perfeita e ressonância de alto fator Q, aqui introduzimos o conceito de hibridização de acoplamento plasmonico out-of-plane e in-plane neste trabalho. Claramente, comparado com a metafície de nanobarra acoplada a filme baseada em acoplamento out-of-plane, esta metafície proposta na Fig. 1 tem propriedades de absorção superiores como mostrado na Fig. 2. Particularmente, o FWHM da ressonância plasmonica a 1550 nm é 7 nm, resultando em um fator Q (Q = λ/FWHM = 1550 nm/7 nm) de 221,43, que é muito maior do que os de trabalhos relatados anteriormente. Então, a fim de obter mais insights físicos sobre as ressonâncias de Fano de alto Q e a absorção perfeita provenientes da metafície original na Fig. 1, plotamos a distribuição simulada de campo magnético e elétrico nos comprimentos de onda de ressonância de 1550 nm (ω_1) e 1588 nm (ω_2), como mostrado na Fig. 6. Claramente, o campo magnético está principalmente localizado na lacuna entre a barra de ouro e o substrato de ouro, e parte do campo magnético é propagada para a nanofenda entre duas nanobarras de ouro. Diferente do campo elétrico resultante apenas do acoplamento out-of-plane como mostrado na Fig. 5d, e, o campo elétrico desta metafície proposta também é fortemente localizado dentro de uma área ultrapequena entre as duas barras de ouro de acordo com a Fig. 6c, d, o que significa o forte acoplamento de plasmon de superfície localizado (LSP) entre as duas nanobarras de ouro. A Figura 6c mostra que o aumento máximo de campo elétrico no comprimento de onda de ressonância pode atingir até 108, cerca de 1,4 vezes em comparação com a metafície apenas acoplada a filme mostrada na Fig. 5d, que é muito maior do que a das nanoantenas relatadas anteriormente. Particularmente, podemos observar claramente que o "ponto quente" ultrapequeno caracterizado pelo forte aumento elétrico está confinado dentro de uma área circular com diâmetro de apenas 3 nm. Assim, esses sistemas de metafície hibridizados mostraram ter simultaneamente absorção superior, grande aumento elétrico local e pequena resolução lateral, que são muito úteis para sondar as propriedades precisas de moléculas únicas para muitas espectroscopias aprimoradas por superfície, devido à sua capacidade de suportar tanto acoplamentos LSP quanto out-of-plane.

Dos resultados de análise na Fig. 2b, sabemos que a metafície acopla eficientemente para polarização TM e permanece escura para polarização TE, devido ao design assimétrico, que tem uma aplicação potencial em interruptor de polarização. Então, considerando que o índice de refração de PVA (polivinil álcool) pode ser alterado com alteração da potência de bomba, o comprimento de onda de operação das ressonâncias plasmonicas geralmente pode ser alterado variando o índice de refração da camada dielétrica. Então, a Fig. 7a,b ilustra que a metafície proposta pode de fato funcionar como um interruptor de polarização, que é baseado em um polarizador reflexivo contendo uma ressonância sintonizável para luz polarizada TM alterando o índice de refração de PVA. Claramente, como mostrado na Fig. 7b, sem um estímulo externo, a luz polarizada TM é completamente absorvida no comprimento de onda de 1550 nm ("estado desligado"), e esta metafície pode refletir completamente a luz polarizada TM no comprimento de onda de 1565 nm ("estado ligado"). Com um estímulo externo, a ressonância de Fano para a onda polarizada TM é deslocada para 1565 nm ("estado desligado"), e esta metafície se torna completamente reflexiva para luz polarizada TM a 1550 nm ("estado ligado"). Claramente, na Fig. 7b, esta metafície pode realizar uma mudança de valor de reflexão de 0,009 a 98% a 1550 nm, e tal grande profundidade de modulação é muito maior do que sistemas de comutação plasmonica relatados anteriormente. Por outro lado, de acordo com a Fig. 7b, a reflexão da luz incidente permanece próxima de um com e sem o estímulo externo para polarização TE ("estado ligado"). Portanto, esta metafície pode realizar um interruptor de polarização para luz polarizada TM baseado em um polarizador reflexivo com uma razão de extinção de 11.000 (R_TE/R_TM = 0,99/0,00009 = 11.000) a 1550 nm. Também damos um cálculo sobre o efeito do ângulo de polarização φ nos espectros de reflexão, como mostrado na Fig. 7c. Claramente, o desempenho de absorção se deteriorará gradualmente nos comprimentos de onda de ressonância com o aumento de φ, o que pode ser explicado pelo fato de que o campo elétrico incidente E pode ser decomposto em luz polarizada TE e TM e a luz polarizada TE é refletida. Baseado nos resultados calculados na Fig. 7c, as polarizações de saída projetadas da metafície, com e sem uma bomba, a 1550 e 1588 nm são plotadas na Fig. 7d.

CdO dopado com In é um tipo de material plasmonico opticamente sintonizável, e o interruptor de polarização de femtossegundos operando a 2,8 μm baseado no filme de CdO fotoexcitado foi demonstrado experimentalmente na literatura recente. A fim de melhorar ainda mais a capacidade sintonizável da nossa estrutura EIT, investigamos as propriedades ópticas da metafície proposta usando CdO. A estrutura esquemática da metafície baseada em CdO com parâmetros geométricos é representada na Fig. 8a. O índice de refração de MgO e CdO é obtido das referências, respectivamente. De acordo com a Fig. 8b, mostramos os espectros de reflexão com e sem uma bomba em torno de 1568 nm. No estado estático "ligado", a metafície proposta é um polarizador que reflete a onda polarizada TE e absorve completamente a onda polarizada TM no comprimento de onda 1568 nm. No estado estático "desligado", a metafície proposta se torna reflexiva para ambas as polarizações TM e TE a 1568 nm, e a ressonância para a onda polarizada TM é deslocada para 1581 nm, devido à mudança de índice de refração do CdO dopado com In por um estímulo externo. Particularmente, este polarizador reflexivo pode atingir uma enorme razão de extinção a 1568 nm para luz polarizada TM devido ao R_min extremamente baixo mostrado na Fig. 8b. A enorme razão de extinção da metafície baseada em CdO a torna uma boa plataforma para controle ativo de polarização. Note que o índice de refração do CdO pode ser sintonizado alterando a potência de bomba, o que também pode realizar controle ativo do comprimento de onda de operação do efeito do tipo EIT. Além disso, podemos encontrar que a luz de bomba não tem influência nos outros materiais (incluindo ouro, MgO), que foram demonstrados por experimentos nestas referências.

Além disso, para a sensibilidade de índice de refração da análise acima, a metafície proposta também pode ser aplicada para detectar a mudança de índice de refração do ambiente circundante. Em muitos trabalhos relatados anteriormente sobre sensoriamento de índice de refração, a intensidade de luz da onda de reflexão/transmissão é geralmente medida quando o índice de refração circundante é variável com um comprimento de onda de operação específico. Então, para demonstrar a propriedade de sensoriamento desta metafície, a Fig. 9 apresenta que as ressonâncias plasmonicas duplas são deslocadas para o vermelho com o aumento das mudanças de índice de refração circundante. Com a variação do índice de refração circundante, a sensibilidade (S) pode atingir S = 1500 nm/RIU. Então, o FWHM do mergulho de reflexão em ω_1 e ω_2 é 7 e 7,5 nm respectivamente, o que indica que esta metafície pode operar como um sensor de índice de refração de FOM ultra-alto (S/FWHM_1 = 214,29) na região do infravermelho próximo. O FOM = 214,29 é muito maior do que a maioria dos sensores de índice de refração plasmonicos relatados anteriormente.

Conclusões

Neste trabalho, uma nova metafície hibridizada opticamente sintonizável é proposta e explorada para gerar fenômenos do tipo EIT em torno de 1550 nm, que hibridiza o acoplamento de campo próximo in-plane entre nanobarras de ouro e o acoplamento de campo próximo out-of-plane entre nanobarras de ouro e substrato. Para o design tradicional de metamateriais do tipo EIT, dois ressonadores de formas diferentes, em arranjo planar ou vertical, funcionam como modo brilhante e modo escuro respectivamente, que podem induzir efeito EIT por acoplamento modo brilhante-escuro. No entanto, nesta estrutura, os dois modos brilhantes individuais resultam principalmente dos dois ressonadores de mesma forma com posições diferentes, que não é nem uma estrutura planar nem vertical. Os dois modos plasmonicos fundamentais resultantes do sistema hibridizado também são investigados em detalhes. Ao introduzir CdO dopado com índio, o comprimento de onda de operação do fenômeno do tipo EIT pode ser sintonizado ópticamente. Ao mesmo tempo, esta metafície é demonstrada pela primeira vez como um interruptor de polarização de femtossegundos para luz polarizada TM a 1550 nm, que pode realizar uma razão de extinção (R_TE/R_TM) muito maior do que a de interruptores de polarização relatados anteriormente. Além disso, operando como nanoantenas plasmonicas, esta metafície também atinge um forte aumento de campo local (|E_loc|/|E_0| > 100) e uma absorção quase perfeita (> 99%) simultaneamente. Devido a estas vantagens acima, esta metafície proposta é um candidato promissor para comutação de polarização de femtossegundos, nanoantenas plasmonicas e sensor de índice de refração de alto FOM.

Abreviações

EIT:

Transparência induzida eletromagneticamente

FDTD:

Diferenças finitas no domínio do tempo

FE:

Aumento de campo

FEM:

Método de elementos finitos

FOM:

Figura de mérito

FWHM:

Largura total a meia altura

PML:

Camada perfeitamente casada

SEIRA:

Absorção infravermelha aprimorada por superfície

SERS:

Espalhamento Raman aprimorado por superfície