Absorvedor de Metassuperfície Plasmônica Quiral Baseado na Nanoestrutura Semicírculo Torcida Quádrupla Bilayer na Freqüência Ótica

Resumo

Neste artigo, apresentamos um absorvedor de metassuperfície quiral plasmônico (CMSA), que pode atingir alta absorção seletiva para luzes de polarização circular destra e canhota (RCP, “+”, e LCP, “-”) na frequência óptica. O CMSA é composto de um substrato dielétrico imprensado com uma nanoestrutura de metal semicírculo torcido quádruplo de duas camadas. O CMSA proposto tem uma banda de absorção seletiva forte, onde picos de absorção para luzes LCP e RCP ocorrem em diferentes frequências de ressonância, refletindo a existência de um efeito de dicroísmo circular (CD) significativo. É mostrado que a absorbância do CMSA pode chegar a 93,2% para luz LCP e 91,6% para luz RCP, e a magnitude CD máxima é de até 0,85 e 0,91 em torno de 288,5 THz e 404 THz, respectivamente. O mecanismo da forte resposta quirópica do CMSA é ilustrado por distribuições de campos elétricos da nanoestrutura de célula unitária. Além disso, a influência da geometria do CMSA proposto na caracterização da absorção seletiva da polarização circular é estudada sistematicamente.

Introdução

A quiralidade, como um fenômeno onipresente que se refere a uma propriedade geométrica de um objeto sem qualquer inversão ou simetria de plano de espelho, sempre permanece relevante para a ciência e a tecnologia [1, 2]. Meios quirais geralmente aparecem em duas formas enantioméricas que são simétricas em espelho e não superponíveis em sua imagem espelhada por simples translação ou rotação, e sempre exibem respostas diferentes à polarização circular destra e canhota (RCP, "+" e LCP, “-”) luz [1]. O dicroísmo circular (CD) de luz de polarização circular (CP) originado de meios quirais é uma das propriedades quiróticas mais exclusivas. O efeito CD refere-se a diferentes respostas das luzes RCP e LCP em meios quirais que têm amplas perspectivas de aplicação em biologia, ciência médica, química, bem como dispositivos optoeletrônicos relacionados à polarização [3,4,5]. Porém, o efeito CD dos materiais naturais é bastante fraco, o que dificulta extremamente sua aplicação prática. Metasurfaces, como uma subclasse de metamateriais consistindo em uma monocamada ou estruturas planas de poucas camadas, mostram grande promessa para onda eletromagnética (EM) arbitrária ou manipulação de luz [6,7,8,9,10]. Em particular, a metassuperfície quiral (CMS) é capaz de aumentar os efeitos ópticos quirais em várias ordens de magnitude.

Os CMSs têm recebido um grande interesse, uma vez que podem exibir propriedades EM exóticas, incluindo índice de refração negativo e atividade óptica [11, 12], transmissão assimétrica [13, 14], efeito CD gigante [15,16,17], conversão de polarização [18, 19], e manipulação da frente de onda [20, 21] etc. Desde então, várias estruturas CMSs (como anel dividido, fio espiral, gammadion, em forma de L e assim por diante) foram propostas sucessivamente para atingir quiral- aumento de campo seletivo para luz LCP ou RCP [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]. No entanto, a maioria dos projetos anteriores desses CMS enfocam o desempenho da quiralidade na transmissão, enquanto muito menos atenção foi dada à reflexão / absorção para luzes CP, que são igualmente importantes em aplicações de engenharia. É bem sabido que a maioria dos estudos de absorvedores anteriores são aplicados à luz de polarização linear, ao passo que tais projetos para luzes de CP raramente são estudados. Na verdade, os CMSs também poderiam ser usados para construir novos absorvedores para lâmpadas CP [25, 26, 29,30,31,32,33]. Por exemplo, Li et al. [25] propuseram um absorvedor ultrafino baseado nos fios em forma de L, que só pode atenuar a onda do LCP na região de micro-ondas. Wang et al. [29] demonstraram que um metaespelho quiral pode refletir quase toda a luz do LCP, enquanto absorve totalmente a luz do RCP na região do infravermelho. Tang et al. [30] propuseram um absorvedor com ressonadores em forma de ŋ, que pode atingir absorção seletiva para diferentes luzes CP no visível. Em seguida, os absorvedores quirais de infravermelho próximo com metassuperfície plasmônica foram propostos e demonstraram absorver seletivamente a luz LCP ou RCP. No entanto, a absorvância da maioria dos CMSs é inferior a 90%. Assim, um projeto eficaz do absorvedor metassuperficial quiral (CMSA) com alta absorção seletiva é altamente desejável.

Neste trabalho, apresentamos um tipo de CMSA altamente eficiente baseado em nanoestrutura de semicírculo trançado quádruplo de duas camadas trabalhando na região do infravermelho próximo e visível. Tal CMSA poderia atingir seletivamente mais de 90% de absorção para diferentes luzes CP de mão em diferentes frequências de ressonância. Devido à forte absorção seletiva do CMSA proposto, um alto valor de CD de cerca de 0,9 pode ser realizado em conformidade. O mecanismo físico subjacente à absorção seletiva para diferentes luzes CP foi analisado em detalhes por distribuições de campo elétrico. Além disso, as influências dos parâmetros geométricos das células unitárias para a absorção seletiva também foram estudadas sistematicamente. Pode-se acreditar que os resultados deste trabalho podem orientar o projeto de CMSA com forte absorção e efeito CD para muitas aplicações práticas, como absorvedor térmico, dispositivos de comunicação óptica, fotodetector, filtros ópticos, imagens e hologramas.

Projeto de célula unitária

A Figura 1 apresenta o diagrama esquemático do CMSA proposto, que é composto por uma matriz periódica com nanoestrutura de semicírculo torcido. A nanoestrutura de semicírculo torcida quádrupla em cada lado do substrato dielétrico é posicionada de modo que cada uma girada 90 ° em relação ao seu vizinho, e no lado inferior cada nanoestrutura semicírculo também é girada 90 ° em relação à superior, como mostrado na Fig. 1b. Similarmente ao projeto anterior [32], as quatro nanoestruturas de semicírculo superiores são conectadas com a inferior por cilindros de cobre, e o raio do cilindro de cobre é o mesmo com a largura do fio do semicírculo, o que pode aumentar o acoplamento condutor. A nanoestrutura de semicírculo torcido pode ser vista como um sistema ressonador acoplado, onde as fortes respostas quirais surgem do acoplamento indutivo elétrico e magnético entre os dois semicírculos conectados torcidos [34, 35]. Esta nanoestrutura de semicírculo torcido simples com simetrias de espelho é projetada nas camadas superior e inferior permitindo que o CMSA proposto aprimore a quiralidade.

Esquema do CMSA projetado: a matriz periódica, b , c a vista frontal e em perspectiva da nanoestrutura de célula unitária. Os comprimentos periódicos ao longo de x - e y- as direções do eixo são 600 nm, e as luzes CP incidentes normais estão se propagando ao longo do z - direção do eixo

A célula unitária geral do CMSA proposto exibe uma rotação quádrupla (C ₄ ) simetria para a direção de propagação da luz. O substrato dielétrico na camada do meio é feito de um MgF dielétrico sem perdas ₂ com permissividade relativa de 1,9. As nanoestruturas metálicas quirais foram selecionadas como ouro, e o parâmetro do material pode ser descrito pelo modelo de Drude [36]. Os parâmetros da estrutura otimizada da célula-unidade são dados como: p _x = p _y =600 nm, r =70 nm, w =40 nm, t _s =120 nm, t _m =30 nm. A célula unitária do CMSA é periódica ao longo do x- e y - direções do eixo com os períodos de 600 nm para evitar difração quando a frequência da luz de incidência chega a 500 THz. Para verificar a eficiência do CMSA proposto, as simulações EM de onda completa de alta frequência foram realizadas com base no método dos elementos finitos (FEM) usando o solucionador de domínio da frequência no CST Microwave Studio. Uma vez que a nanoestrutura de célula unitária CMSA, as condições de contorno adequadas, o tamanho da malha e a faixa de frequência tenham sido razoavelmente definidos, a simulação no domínio da frequência pode ser lançada.

Resultados e discussões

Os coeficientes de transmissão de co-polarização simulados ( t ₊₊ (ω), t _{- -} (ω)) e coeficientes de reflexão ( r ₊₊ (ω), r _{- -} (ω)) para luzes incidentes normais de LCP e RCP são apresentados na Fig. 2. Dois modos de ressonância plasmônica quiral (modo 1 e modo 2) podem ser evidentemente observados em frequências de f ₁ =288,5 THz e f ₂ =404 THz, respectivamente. Pode-se observar que o coeficiente de reflexão de co-polarização r ₊₊ (ω) para RCP e r _{- -} (ω) para luzes LCP são iguais; e ambos são menos de 0,4 em toda a faixa de frequência de interesse. Além disso, as magnitudes de r ₊₊ (ω) e r _{- -} (ω) diminui para cerca de 0,15 nas ressonâncias, indicando o casamento de impedância entre o CMSA e o espaço livre para as luzes RCP e LCP. Também pode ser visto que os coeficientes de transmissão de co-polarização t ₊₊ (ω) para RCP e t _{- -} (ω) para luzes LCP são significativamente diferentes em ressonâncias devido à natureza quiral do CMSA proposto. Em torno do ponto de frequência inferior f ₁ , a magnitude de t ₊₊ (ω) para a luz RCP é cerca de 0,93, que é muito maior do que t _{- -} (ω) para a luz LCP que é cerca de apenas 0,075. Em torno do ponto de maior frequência f ₂ , a magnitude de t ₊₊ (ω) para a luz RCP diminui para o valor mínimo de 0,018, enquanto t _{- -} (ω) para o LCP é até o valor máximo de cerca de 0,92. Isso significa que apenas a luz RCP incidente pode ser selecionada para passar pelo CMSA, enquanto a luz LCP é proibida na frequência mais baixa. Como na frequência mais alta f ₂ , apenas a luz LCP incidente pode ser selecionada para passar pelo CMSA, enquanto a luz RCP é extremamente proibida. Assim, os fenômenos de seleção quiral do CMSA acima, consequentemente, resultariam na absorção diferente para as luzes RCP e LCP, implicando na existência de uma absorção seletiva de alta eficiência e efeito CD gigante nas ressonâncias.

a Coeficientes de transmissão de co-polarização simulada ( t ₊₊ (ω), t _{- -} (ω)) e coeficientes de reflexão ( r ₊₊ (ω), r _{- -} (ω)) do CMSA proposto para as luzes incidentes normais do LCP e RCP, b a absorbância correspondente ( A ₊ (ω), A _- (ω)) para as luzes LCP e RCP

A Figura 2b mostra os espectros de absorbância ( A ₊ (ω), A _- (ω)) para as luzes incidentes do LCP e RCP. Pode-se observar que a absorbância para luzes LCP e RCP é de até o valor máximo de cerca de 93,2% e 91,6%, enquanto a para luzes RCP e LCP é diminuída para apenas cerca de 8,7% e 4,8% em torno das duas ressonâncias acima, respectivamente . Obviamente, pode-se concluir que o CMSA proposto exibe uma forte absorção de luz LCP e um nível de transmissão bastante alto para a luz RCP em torno da frequência inferior f ₁ , ao passo que a condição se inverte completamente quando a frequência atinge a frequência de ressonância mais alta f ₂ . Isso significa que o CMSA proposto exibe uma absorção seletiva para duas luzes CP com destreza particular enquanto reflete a outra em diferentes ressonâncias. Além disso, também vale a pena destacar que o CMSA tem as duas bandas de frequência de absorção fortes usando apenas uma nanoestrutura quiral de tamanho único, e é razoavelmente superior em comparação com os absorvedores quirais anteriores com uma banda de absorção isolada cuja adaptação para luz CP diferente é altamente dependente de tamanho de geometria diferente [25, 26, 29, 31,32,33]. Assim, a nanoestrutura quiral projetada pode atuar como um absorvedor de luz LCP perfeito na frequência mais baixa e um absorvedor de luz RCP perfeito na frequência mais alta. Deve-se notar que o desempenho de absorção seletiva do CMSA proposto se deteriorará com o aumento do ângulo de incidência (incidência oblíqua), devido à ressonância de plasmão multipolar de ordem superior (não mostrado). Além disso, pode-se inferir que a alta absorção quiral-seletiva para luzes CP resultará em um efeito CD gigante no CMSA proposto.

A diferença de absorção ou transmissão entre as luzes LCP e RCP pode ser caracterizada pelo parâmetro CD Δ . A Figura 3a apresenta o espectro CD do CMSA, onde os principais picos do parâmetro CD são cerca de 0,85 e 0,91 em duas frequências de ressonância, respectivamente; que é muito maior do que as nanoestruturas quirais relatadas [17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32, 37,38,39,40, 41,42]. O efeito CD gigante é causado pela forte quiralidade do CMSA e, portanto, pode ser aplicado como um polarizador circular transparente. Para investigar melhor a pureza CP do CMSA aplicado como um polarizador circular, fornecemos o ângulo de elipticidade η e ângulo de rotação do azimute de polarização θ como mostrado na Fig. 3b. Pode ser encontrado que o valor de η é cerca de 40,4 ° e - 43,9 °, enquanto o valor de θ é cerca de 0 ° nas frequências mais baixas e mais altas, respectivamente. Isso significa que as luzes transmitidas exibem características RCP e LCP proeminentes após passarem pela placa CMSA nas duas frequências de ressonância. Deve-se notar que este polarizador circular baseado em CMSA com a pureza de CP mais alta é válido para qualquer luz de polarização arbitrária devido ao seu C ₄ alto simetria da célula unitária. Assim, pode-se razoavelmente acreditar que o polarizador circular homogêneo seja realizado com nossa nanoestrutura quiral projetada.

Os parâmetros ópticos relativos calculados do CMSA proposto para as luzes incidentes normais de LCP e RCP, a o parâmetro CD Δ , b ângulo de elipticidade η e ângulo de rotação do azimute de polarização θ

A fim de compreender totalmente a absorção seletiva e o efeito CD gigante do CMSA, recuperamos o índice de refração Re ( n ), Re ( n _- ), Re ( n ₊ ) e parâmetro quiral Re ( κ ) usando um procedimento de recuperação padrão dos coeficientes de transmissão e reflexão de luzes CP [43, 44], como mostrado na Fig. 4a, b. É claro que duas ressonâncias relacionadas à forte quiralidade emergem no CMSA projetado. A ressonância de frequência mais baixa ocorre em torno de 288,5 THz, enquanto a mais alta localiza-se em 404 THz, que são consistentes com as frequências características de absorção seletiva e picos CD. Conforme mostrado na Fig. 4a, o Re ( n ) é negativo com magnitudes máximas de - 2,3 e - 1,1, e o Re ( κ ) é de até magnitudes máximas de 6,4 e - 5,1 em torno das duas frequências de ressonância acima. É claro que o parâmetro quiral κ também contribui para a refração negativa das luzes RCP e LCP. A forte quiralidade pode facilmente empurrar o índice de refração da luz RCP / LCP para se tornar negativo em ressonâncias devido à relação de n _± = n ± κ . Assim, como mostrado na Fig. 4b, o Re ( n _- ) para luz LCP e Re ( n ₊ ) para RCP, a luz é negativa de 286,2 THz a 291 THz e 400,2 THz a 404 THz, respectivamente. Além disso, o Re ( n _- ) e Re ( n ₊ ) estão até os valores negativos máximos de - 8,6 e - 6,3 nas duas ressonâncias acima, respectivamente. Ele revela que a alta absorção seletiva, bem como o efeito CD gigante do CMSA proposto, estão associados à propriedade refrativa negativa das luzes LCP e RCP.

Os parâmetros quirais relativos recuperados do CMSA proposto: a partes reais do índice de refração médio Re ( n ) e parâmetro quiral Re ( κ ), b índice de refração Re ( n _- ), Re ( n ₊ ) para luzes LCP e RCP

Para revelar ainda mais a origem da absorção seletiva associada ao efeito CD gigante do CMSA proposto, o campo elétrico ( E _z ) distribuições da célula unitária conduzidas por luzes RCP e LCP em 288,5 THz e 404 THz foram estudadas. É sabido que a excitação da ressonância dos plasmons de superfície irá produzir campos dipolares oscilantes, uma vez que a nanoestrutura do semicírculo exibe pequenos diâmetros em comparação com o comprimento de onda incidente das diferentes luzes CP [45,46,47,48]. Quando a luz RCP ou LCP ilumina na nanoestrutura do semicírculo, pode-se razoavelmente acreditar que a absorção seletiva e o efeito CD gigante surgirão no CMSA proposto e, consequentemente, resutling na distribuição diferente dos componentes do campo elétrico e do campo magnético em cada camada [48 , 49,50,51,52,53].

A Figura 5 mostra o campo elétrico ( E _z ) distribuições do CMSA proposto conduzido por luzes RCP e LCP em diferentes frequências de ressonância. Os gráficos detalhados do campo elétrico ( E _z ) distribuições nas nanoestruturas do semicírculo mostram claramente a natureza de cada modo plasmônico da sruface [54]. A região vermelha e azul na nanoestrutura do semicírculo das camadas superior e inferior apresentam os acúmulos de carga positiva e negativa sob excitação de luz RCP e LCP. As cargas positivas e negativas são separadas e principalmente acumuladas nos cantos de cada nanoestrutura do semicírculo, agindo como uma oscilação de dipolo elétrico. Pode-se observar que a potência do dipolo elétrico é muito mais forte do que a magnética na nanoestrutura do semicírculo projetada, revelando a predominância de oscilações do dipolo elétrico. A absorção seletiva e o efeito CD gigante gerado nas ressonâncias se devem ao poder dipolo óbvio diferente sob excitação LCP e RCP. Aqui, um método simplificado com momentos de dipolo elétricos equivalentes foi aplicado, que considera as vibrações de carga de quatro nanoestruturas de semicírculo em cada camada como uma vibração de dipolo [48,49,50]. De acordo com a teoria de Born-Kuhn [47, 48], o modo que é hibridizado a partir de dois dipolos com a mesma direção do campo elétrico é denominado modo de ligação, enquanto o outro que é hibridizado a partir de dois dipolos com 90 ° ou direção transversal é denotado como modo anti-ligação. Como mostrado na Fig. 5a1, b1, sob iluminação de luz RCP na frequência de ressonância de f ₁ =288,5 THz, os campos de dipolo elétrico nas camadas superior e inferior mostram as direções transversais e formam um modo anticoagulante, resultando, consequentemente, na alta transmissão de luz RCP de acordo com o modelo Born-Kuhn. Conforme mostrado na Fig. 5c1, d1, sob iluminação de luz LCP, pode-se ver que a distribuição do campo elétrico de CMSA pode ser considerada um híbrido do modo de ligação entre as camadas superior e inferior, que é composto por duas camadas elétricas equivalentes momentos dipolares com a mesma direção, resultando em alto nível de absorção de luz LCP. Assim, os modos de ligação e anti-ligação causam energia de ressonância diferente e transmissão e absorção diferentes de nanoestruturas quirais na frequência mais baixa sob iluminação de luzes LCP e RCP (ver Fig. 2). Conforme mostrado na Fig. 5a2, b2, c2, d2, sob iluminação de luzes RCP e LCP na frequência de ressonância de f ₂ =404 THz, os campos de dipolo elétrico nas camadas superior e inferior mostram as mesmas direções (modo de ligação) e direções cruzadas (modo anti-ligação), respectivamente e, consequentemente, resultando em alto nível de absorção para luz RCP e alta transmissão para luz LCP. Assim, pode-se observar que a absorção seletiva e o efeito CD em duas frequências diferentes são atribuídos principalmente aos modos de ligação e anti-ligação, que são induzidos pelo acoplamento híbrido dos momentos de dipolo elétrico das camadas superior e inferior.

O campo elétrico ( E _z ) distribuições de células unitárias do CMSA proposto induzidas pelo ( a1 , b1 , a2 , b2 ) RCP e ( c1 , d1 , c2 , d2 ) LCP acende em diferentes frequências de ressonância:( a1 - d1 ) f ₁ =288,5 THz, ( a2 - d2 ) f ₂ =404 THz. As setas de linha sólida preta (linha tracejada) denotam os momentos de dipolo elétrico equivalentes na camada superior (inferior) da nanoestrutura quiral proposta

A seguir, investigamos as influências dos parâmetros geométricos da célula unitária nas propriedades de absorção do CMSA proposto. A Figura 6 mostra os espectros de absorbância simulados para luzes LCP e RCP e frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) com diferentes parâmetros geométricos ( r , w , t _m , e t _s ) da célula unitária. Para a nanoestrutura projetada, alguma variação espectral interessante da propriedade de absorção seletiva dependente de parâmetros, que é obviamente multifatorial competitiva e complexa, pode ser observada. Neste estudo, os parâmetros geométricos do grupo de controle são r =70 nm, w =40 nm, t _m =30 nm, e t _s =120 nm, e alterando um parâmetro de cada vez.

O simulado ( a1 - d1 ) espectro de absorbância e ( a2 - d2 ) frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) das luzes LCP e RCP do CMSA proposto com diferentes parâmetros geométricos:( a1 , a2 ) raio ( r ), ( b1 , b2 ) largura do fio ( w ), e ( c1 , c2 ) espessura ( t _m ) da nanoestrutura de semicírculo, ( d1 , d2 ) espessura do substrato dielétrico ( t _s )

A nanoestrutura do semicírculo com os diferentes r ( r =65 nm, 70 nm, 75 nm e 80 nm) foram calculados em primeiro lugar, enquanto os outros parâmetros são fixados como mostrado na Fig. 6a1, a2. Quando aumenta r , as frequências de ressonância f _- para LCP e f ₊ para RCP, as luzes diminuem gradualmente, o que pode ser interpretado pelo equivalente LC teoria do circuito de ressonância [55, 56]. As frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) para iluminação de luzes LCP e RCP pode ser expressa como \ (f_ {\ mp} =\ frac {1} {{2 \ pi \ sqrt {LC}}} \), onde capacitância equivalente C e indutância L são determinados principalmente pelos parâmetros geométricos do CMSA proposto. O L aumentará com o aumento do r , resultando assim na diminuição das frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) Além disso, como mostrado na Fig. 6a1, quando aumenta r , a absorbância da luz LCP diminuirá gradualmente enquanto a da luz RCP ficará quase inalterada. A Figura 6b1, b2 mostra os espectros de absorbância das luzes LCP e RCP ao mudar o w de 30 a 45 nm por um passo de 5 nm, enquanto os outros parâmetros são mantidos inalterados. Pode ser visto que as frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) para ambos LCP e RCP, as luzes aumentarão gradualmente com o aumento de w . Obviamente, o aumento das frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) é principalmente devido à diminuição do C . A absorvância da luz LCP primeiro aumentará e depois diminuirá ligeiramente, enquanto a da luz RCP diminuirá gradualmente ao aumentar w , conforme mostrado na Fig. 6b2. Conforme mostrado na Fig. 6c1, c2, apresentamos os espectros de absorbância e as frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) das luzes LCP e RCP com variação de t _m de 20 a 50 nm por um passo de 10 nm e outros parâmetros fixos. Existem casos semelhantes para a mudança de w , quando aumenta t _m , a frequência de ressonância ( f _- ) para a luz LCP aumenta significativamente, e para a luz RCP aumenta ligeiramente. Neste caso, o L diminuirá com o aumento do t _m , resultando assim no aumento das frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) Além disso, a absorvância de ambas as luzes LCP e RCP aumentará primeiro e depois diminuirá ao aumentar t _m , conforme mostrado na Fig. 6c2. Finalmente, ilustramos os espectros de absorbância e as frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) para luzes LCP e RCP com diferentes t _s ( t _s =110 nm, 120 nm, 130 nm e 140 nm), enquanto outros parâmetros são mantidos inalterados, como mostrado na Fig. 6d1, d2. Pode-se observar que quando aumenta t _s , a absorbância do LCP aumentará gradualmente, enquanto a da luz RCP diminuirá ligeiramente, como mostrado na Fig. 6d1. Além disso, as frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) para ambos LCP e RCP, as luzes diminuem gradualmente quando aumenta t _s , conforme mostrado na Fig. 6d2. Neste caso, o C aumentará quando aumentar t _s , resultando assim na diminuição das frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) Pode-se concluir que as frequências de ressonância ( f _- , f ₊ ) e o nível de absorção para as luzes RCP e LCP são sensíveis aos parâmetros geométricos da célula unitária da nanoestrutura quiral projetada. Assim, as propriedades de absorção seletiva do CMSA proposto podem ser ajustadas dinamicamente por parâmetros de estrutura variáveis.

Conclusão

Em conclusão, um CMSA baseado em uma nanoestrutura de semicírculo torcido quádruplo de duas camadas foi proposto para atingir uma absorção quiral-seletiva quase perfeita para luzes RCP e LCP, bem como efeito CD gigante nas regiões do infravermelho próximo e visível. Os resultados da simulação mostram que a absorbância quiral-seletiva para luzes RCP e LCP é superior a 90%, e a magnitude de CD pode chegar a 0,91. De acordo com os parâmetros EM eficazes recuperados, pode-se descobrir que a absorção de frequência mais baixa e o efeito CD estão ambos associados às propriedades de refração negativa da luz LCP, enquanto o caso de frequência mais alta está relacionado à luz RCP. As distribuições do campo elétrico indicam que as propriedades de absorção quiral-seletiva e o efeito CD gigante do CMSA se originam principalmente dos modos de ligação e anti-ligação que são induzidos pelo acoplamento híbrido dos momentos de dipolo elétrico das camadas superior e inferior. Além disso, as frequências de ressonância e o nível de absorção quiral-seletivo do CMSA podem ser ajustados alterando os parâmetros geométricos da célula unitária. Portanto, pode-se concluir razoavelmente que o design do CMSA é promissor para futuras aplicações em filtro óptico, imagem quiral, polarizador circular, detecção e comunicações ópticas.

Seção de método numérico

Simulações FEM:simulações EM de onda completa foram realizadas com base em um método de elementos finitos (FEM). Na simulação, as propriedades elétricas do ouro são descritas pelo modelo Drude como [36]:
$$ \ varejpsilon _ {{{\ text {Au}}}} ={1} - \ omega_ {p} ^ {{2}} / \ omega \ left ({\ omega + i \ gamma} \ right) $$ (1)
onde ω _p =1,37 × 10 ¹⁶ rad / s é a frequência do plasma e γ =8,04 × 10 ¹³ rad / s é a frequência de colisão do ouro na faixa de frequência óptica. Na simulação, a condição de contorno de célula unitária foi aplicada ao longo de x - e y - direção do eixo e as duas luzes próprias CP foram usadas diretamente. Luzes de banda larga CP são empregadas como fontes de excitação e são normalmente através da célula unitária da nanoestrutura quiral projetada de - z para + z direção. Então, os coeficientes de reflexão e transmissão de ambas as luzes LCP e RCP podem ser obtidos. Geralmente, a absorvância denotada como A _- (ω) / A ₊ (ω) para as luzes LCP / RCP pode ser expresso como [17, 32]: A _- (ω) =1 - R _{- -} (ω) - T _{- -} (ω) =1 - | r _{- -} (ω) | ² - | t _{- -} (ω) | ² , A ₊ (ω) =1 - R ₊₊ (ω) - T ₊₊ (ω) =1 - | r ₊₊ (ω) | ² - | t ₊₊ (ω) | ² , respectivamente. Os coeficientes de transmissão de co-polarização t _{- -} (ω) são para o LCP e t ₊₊ (ω) para as luzes RCP, enquanto r _{- -} (ω) e r ₊₊ (ω) são os coeficientes de reflexão de co-polarização, respectivamente. Deve-se notar que os coeficientes de transmissão de polarização cruzada ( t _{+ -} (ω), t _{- +} (ω)) e coeficientes de reflexão ( r _{+ -} (ω), r _{- +} (ω)) para LCP e RCP, as luzes são pequenas o suficiente para serem negligenciadas (<0,01) devido ao C alto ₄ simetria da célula unitária da nanoestrutura quiral projetada. Além disso, o efeito CD é induzido pela absorção seletiva de duas luzes CP, que podem ser expressas como: △ =| t ₊₊ (ω) | - | t _{- -} (ω) | [14, 29]. A elipticidade e a atividade óptica são parâmetros importantes para avaliar a quiralidade da nanoestrutura quiral projetada. A elipticidade caracteriza o estado de polarização das luzes transmitidas da nanoestrutura quiral, que é descrito pelo ângulo de elipticidade η =Arctan [(| t ₊₊ (ω) | - | t _{- -} (ω) |) / (| t ₊₊ (ω) | + | t _{- -} (ω) |)]. While the optical activity represents the rotation property of polarization plane of a transmitted linear polarization light respect to the incident one, which is described by the polarization azimuth rotation angle θ = [arg(t ₊₊ (ω)) − arg(t _− − (ω))]/2.

Disponibilidade de dados e materiais

The datasets generated and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.

Abreviações

CMS:: Chiral metasurface
CMSA:: Chiral metasurface absorber
RCP:: Right-handed circular polarization
LCP:: Left-handed circular polarization
CD:: Circular dichroism
EM:: Electromagnetic
CP:: Circular polarization

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Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

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