劉海濤教授課題組提出實現金屬納米諧振腔中非經典量子效應解析處理的電磁理論
南開大學現代光學研究所 2022-11-23 20:08 發表于天津
近日，劉海濤教授課題組針對介觀等離激元諧振腔，提出了實現對非經典電磁邊界條件解析處理的電磁理論，該研究以“QuasinormalMode Expansion Theory for Mesoscale Plasmonic Nanoresonators: An Analytical Treatment of Nonclassical Electromagnetic Boundary Condition”為題發表在《Physical Review Letters 》上。
金屬納米諧振腔支持表面等離激元，被稱為等離激元諧振腔。這類諧振腔具有突破衍射極限的電磁場局域特性，被廣泛應用于分子傳感、自發輻射增強、納米激光器等多個領域。近年來，隨著對光與物質相互作用強度要求的提高和納米加工工藝的進步，特征尺寸（例如納米間隙尺寸）小到1~20 nm的介觀等離激元諧振腔引起了研究人員的廣泛關注。對于金屬-介質界面，經典電磁理論假設界面是突變的，自由電子嚴格位于金屬-介質界面的金屬區域一側，然而根據量子力學，自由電子會以一定的概率擴散到金屬-介質界面的介質區域一側，不存在突變的界面。對于介觀等離激元諧振腔，電磁場強烈地局域在金屬-介質界面附近，于是會受到上述電子量子效應的顯著影響。經典的電磁理論忽略了這些非經典效應，其預測結果與實驗結果相差甚大，這要求使用更準確的非經典電磁理論。對于特征尺寸>1 nm的任意復雜金屬納米結構，采用表面響應Feibelman d參數修正經典的電磁邊界條件，得到非經典的電磁邊界條件，能夠全面地描述結構中的非經典效應。
介觀等離激元諧振腔的電磁場滿足非經典電磁邊界條件下的麥克斯韋方程組，該方程組是一組偏微分方程，其求解通常需要采用數值算法，例如有限元方法。然而，使用數值算法強力求解，難以直觀地分析非經典效應對電磁響應的影響，并且計算量大。因此，有必要建立解析地依賴于非經典電磁邊界條件的電磁理論，以實現直觀、快速地分析非經典效應對介觀金屬納米諧振腔電磁響應的影響，為理解相關實驗現象和設計器件提供理論指導。
劉海濤教授課題組通過建立非經典電磁邊界條件下介觀等離激元諧振腔的準簡正模式展開理論，實現了對非經典電磁邊界條件的解析處理。該理論中，準簡正模式是金屬納米諧振腔支持的諧振模式，它對系統的電磁響應起支配作用。如圖1所示，利用該理論，能夠準確預測介觀金屬納米諧振腔的電磁響應。由于該理論解析地依賴于非經典電磁邊界條件，因此，清晰地揭示了非經典效應對系統諧振特性的影響。此外，由于該理論對非經典電磁邊界條件、激勵頻率、激勵源的依賴關系高度解析化，因此，和全波數值算法相比，該理論能夠顯著降低計算量，可用于大規模計算，例如納米光子器件的優化設計和金屬納米顆粒的光力計算等。
圖：(a) 計算的金基底上單個金納米線天線結構示意圖。(b) 平面波激勵下，天線和基底之間的納米間隙內電場增強因子的頻譜曲線。(b1)-(b3)分別對應三組天線結構參數。紅色曲線為忽略非經典效應的結果，其它曲線為考慮非經典效應的結果；圓圈為全波數值計算結果，實線和虛線為理論預測結果。
該工作南開大學電子信息與光學工程學院現代光學研究所為第一完成單位，南開大學博士生陶燦為第一作者，南開大學劉海濤教授為通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金項目的資助。
劉海濤教授課題組主要從事微納光子結構電磁場求解的解析理論、快速算法以及相關應用研究。發展了基于準簡正模式的解析理論和快速算法，例如諧振腔耦合系統的準簡正模式耦合理論[PhysicalReview B 102, 045430 (2020)]，基于準簡正模式展開理論及耦合理論的納米顆粒光力快速算法[Optics Letters 46, 2658 (2021); Optics Letters 46, 4610 (2021)]。發展了基于波導模式的解析理論和數值算法，例如納米金屬孔陣列光學異常透射的微觀理論[Nature 452, 728 (2008)]，納米光學天線傳播表面等離激元和局域等離激元共振的統一理論[Photonics Research (cover story) 4, 293 (2016)]，任意曲面界面三維光子結構的坐標變換傅立葉模式法[Optics Express 29, 1516 (2021)]。
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https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.197401
