分割ミラーアレイにおける複数のファノ共鳴の実験的デモンストレーション

Scientific Reports volume 12、記事番号: 15846 (2022) この記事を引用

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この研究は、低損失かつ低屈折率のポリテトラフルオロエチレン (PTFE) 基板上に堆積された鏡面対称スプリットリング共振器のアレイに基づくシステムにおける、テラヘルツ範囲における複数のファノ共鳴の最初の実験的観察を実証します。 メタサーフェス製造用の標準的なマスク リソグラフィーをさらに適用して、レーザー技術によって引き起こされる選択的表面活性化を初めて使用して、PTFE 基板上に銅層を堆積しました。

ファノ型共鳴は、スプリットリング共振器 (SRR) で作られたメタ表面で観察されます。 これを得るために、SRR に追加の非対称性が導入されます。 通常、リングは長さの異なる 2 つのセクションに分割され、そこでいわゆる「ダーク モード」が励起され、ファノ共鳴の出現の原因となります1。 ダークモードと外部電場との結合が弱いため、ファノ共振は高い共振品質を示します。 したがって、このようなメタマテリアルは、さまざまなセンサーの開発に応用できる可能性があると期待されています2。

アプリケーション要件が異なるため、ファノ共鳴分野における研究の関心は、単一のファノ共鳴から複数のファノ共鳴へと広がっています。 マルチスペクトル ファノ共鳴は、マルチチャネル生化学センシング 3、マルチバンド第 2 高調波発生 4、およびマルチバンド吸収体/放射体 5 において有望です。 単一のファノ共振は 1 つの明るいモードと 1 つの暗いモードを組み合わせることで発生しますが、明るいモードと複数の暗いモードを組み合わせると、複数のファノ共振が生じる可能性があります。 複数のファノ共鳴は、平面周期構造 6 に新しい非対称性を導入し、表面プラズモンポラリトン モードと多次平面導波路モード 8 を結合することにより、2 つの異なるメタマテリアル共振器 7 からなるメタ分子格子を集合的に励起することによって作成されます。 異なる形状の空洞を持つ金属 - 絶縁体 - 金属導波路構造における複数のファノ共鳴9は、集積の容易さや可視および近赤外波長の光の深いサブ波長閉じ込めなどの優れた特徴により、多くの研究者の注目を集めています。 ハイブリッドメタマテリアル導波路（HMW）構造は、暗い擬似導波モードと明るいプラズモンモードの弱め合う干渉によって引き起こされる複数のファノピークを確立するために提案されています。 理論的考察により、スラブ導波路のマルチモード特性により、HMW 設計は、遠赤外線およびテラヘルツのスペクトル範囲で動作する単純な金属共振器で複数のファノ共振を実現する簡単な方法を提供できることが示されています 10、11、12。 最近、GHz 周波数範囲では、二重層メタ表面 13 を使用した複数の電磁誘導透明性と、複数のファノ共振 14 を使用した超広帯域偏光変換拡張が実験的に実証されました。 どちらの場合も、複数の共鳴を達成するために、提案されたメタ表面の単位セルはかなり複雑になりました。

この研究では、ミラー対称スプリットリング共振器のアレイに基づく HMW システムにおけるテラヘルツ範囲の複数のファノ共鳴の最初の実験観察を紹介します。 我々は、低損失かつ低屈折率のポリテトラフルオロエチレン（PTFE）基板上に蒸着されたSRRの鏡面対称アレイに現れる誘電体導波路モードとプラズモニックモードの相互作用を介して多重ファノ共鳴観察を行うスキームを提案します。 基板の厚さを増加すると、より高次の導波路モードが励起されます。 その結果、それらはプラズモニックモードと相互作用し、複数のファノ共鳴が現れます。 ファノ共振の数とその固有周波数は、基板の厚さを変えることで簡単に調整できます。 注目すべきことに、私たちの設計は、多波長バイオセンサー、屈折率センサー、およびフィルターを設計するための大きな可能性を備えたオープン (クラッディングのない) 導波路を提供します。