Résonances de Fano de haute qualité dans un résonateur empilé d'anneaux d'argent/nanodemi-anneaux

Résumé

Nous rapportons une nanostructure plasmonique qui génère des résonances de Fano aiguës par l'empilement vertical d'un anneau d'argent complet et d'un demi-anneau. Le design excite des modes sous-radiants sous illumination à incidence normale, produisant un nouveau mode de rotation et une réponse spectrale ajustable. Des résonances à facteur de qualité élevé sont atteintes dans le proche infrarouge, démontrant un fort potentiel d'intégration dans des capteurs nanoscopiques et des circuits photoniques.

Contexte

Les polaritons de plasmon de surface (PPS) permettent un contrôle sans précédent des interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique, stimulant les avancées en nanofabrication, caractérisation optique et électromagnétique computationnelle à champ complet. 1-6 Ces développements ont élargi notre compréhension des résonances de plasmon localisées dans les nanostructures métalliques telles que les disques, triangles, rods et anneaux. 7-13 Les résonances de Fano, résultant de l'interférence entre canaux d'excitation larges et étroits, ont été démontrées dans des assemblages anneau-rod, oligomères plasmoniques, agrégats non-sphériques, dispositifs à base de graphène et points quantiques. 14-18 Cependant, atteindre des résonances de Fano à des longueurs d'onde spécifiques reste difficile en raison de l'hybridation complexe des modes disponibles et des effets de retard dépendant de l'angle d'incidence. 19-32 Ces facteurs limitent l'activation des modes d'ordre supérieur ou spatialement étendus, qui sont critiques pour les dispositifs nanoplasmoniques à haute performance. La présente étude introduit un système d'anneau/demi-anneau empilé qui contourne ces limitations en permettant un couplage efficace des modes sous-radiants sous incidence normale, offrant ainsi une ajustabilité robuste et des facteurs de qualité élevés pour des applications pratiques.

Méthodes

La structure consiste en un anneau d'argent (rayon intérieur 310 nm, rayon extérieur 400 nm, épaisseur 40 nm) empilé sur un demi-anneau d'argent avec les mêmes dimensions. Le demi-anneau est roté d'un angle θ par rapport à l'axe y, créant une configuration hélicoïdale. La période du réseau est de 1000 nm, et l'indice de réfraction du substrat est l'unité. Les simulations numériques ont été effectuées en utilisant Lumerical FDTD Solutions avec une grille spatiale de 1 nm (Δx = Δy = Δz = 1 nm) et une demi-grille dans la direction de l'épaisseur. Une onde plane polarisée le long de y, se propageant le long de -z, illuminait la cellule unité avec des couches parfaitement adaptées en z et des conditions aux limites périodiques en x et y. Toutes les constantes optiques des matériaux provenaient des données Johnson-Christy de l'argent. 17

Résultats et Discussion

La Figure 2a et 2c affichent les spectres de transmission de l'anneau isolé et du demi-anneau isolé, respectivement. L'anneau supporte un mode superradiant de troisième ordre à 1027 nm (A), tandis que le demi-anneau présente une résonance dipolaire de premier ordre à 1297 nm (B). La forme de ligne de Fano dans l'anneau résulte de l'hybridation d'un dipôle de type disque (D_D) avec un anti-disque (D_H), formant des états de liaison (D_B) et d'antiliaison (D_AB) (Fig. 2b). Les cartes de champ électrique confirment les distributions de charge distinctes pour ces modes.

L'empilement du demi-anneau sur l'anneau (Fig. 1) produit un système couplé où la résonance de Fano de second ordre émerge à 1160 nm, tandis que la résonance de troisième ordre à 1027 nm reste largement inchangée (Fig. 3a-c). Le fort décalage vers le bleu du mode fondamental dans la configuration empilée permet l'activation de la résonance d'ordre pair. Les facteurs de qualité (Q) sont exceptionnellement élevés : Q = 82,8 pour le second ordre (FWHM = 14 nm) et Q = 114 pour le troisième ordre (FWHM = 9 nm). Ces valeurs surpassent les Q de 20-62 rapportés précédemment dans des systèmes plasmoniques similaires. 14,19,37-39 Les temps de déphasage, calculés à partir de T_r = 2ħ/Γ_L, sont de 0,10 ps (second ordre) et 0,12 ps (troisième ordre), bien au-dessus des 10 fs typiques pour les résonances de Fano conventionnelles, confirmant la robustesse du design empilé.

La rotation du demi-anneau d'un petit angle θ introduit un mode de rotation (m_r) qui divise davantage les résonances de Fano. À θ = 5°, trois creux asymétriques apparaissent (Fig. 4a). Les cartes de distribution de charge (Fig. 4b-d) confirment que le mode de rotation provient de l'hybridation du mode de premier ordre du demi-anneau avec le mode de second ordre de l'anneau. À mesure que θ augmente, la résonance de rotation se décale vers des longueurs d'onde plus longues, tandis que la résonance de second ordre s'affaiblit en raison du chevauchement dipolaire réduit le long de l'axe y. La Figure 5 démontre qu'à θ = 30°, le mode de rotation devient proéminent, générant un profil de Fano distinct aux côtés des résonances restantes.

Ces résultats démontrent que la plateforme d'anneau/demi-anneau empilé offre un contrôle sans précédent sur de multiples résonances de Fano, y compris la capacité d'activer/désactiver des modes spécifiques via une simple rotation du demi-anneau. Les facteurs Q élevés et les longs temps de déphasage rendent cette structure attractive pour la détection ultra-compacte à haute sensibilité et les dispositifs photoniques sur puce.

Conclusions

Nous avons introduit une nanostructure d'argent comprenant un anneau complet empilé avec un demi-anneau qui supporte de multiples résonances de Fano de haute qualité dans le proche infrarouge. Les résonances sont hautement ajustables à travers l'angle de rotation du demi-anneau, fournissant une voie simple pour moduler les caractéristiques spectrales à la demande. Les facteurs Q atteints (jusqu'à 114) et les temps de déphasage (≈ 0,1 ps) soulignent la pertinence de cette architecture pour les capteurs nanoscopiques et les dispositifs photoniques intégrés.