金属-半导体特异介质中基于Fano型杂化磁共振模的纳米发射特性研究

亚波长尺度的纳米发射器(Nanoemitter)是纳等离激元光子学所不可或缺的核心器件之一,如何使之更好地实现高强度、高相干、低阈值以及长程定向传输等特性，已经成为特异介质领域的一项重要课题。最近的研究表明，传统的光放大过程可间接地通过表面等离激元的局域放大来完成，这是实现相关特性的绝佳途径。本项目研究具有杂化磁共振响应的金属-半导体特异介质，利用光频高介电系数的半导体纳米结构产生特定的磁共振模式，借助于近场的金属层将该模式局域在亚波长尺度，有望解决传统的金属共振结构中表面等离激元的大损耗问题，更好地实现低阈值等若干特性。通过理论、数值分析以及实验手段，我们将设计一种金属板-半导体环特异介质纳米发射器，首次研究杂化磁共振模式下高度相干的非对称Fano光谱，预期在红光波段仅需数百增益系数[cm/(-1)]即可获得高达2个数量级的放大辐射。在此基础上，进一步研究该发射器的长程定向传输等特性。

亚波长尺度的纳米发射源是等离激元特异介质领域的一个重要方向，可望实现高强度、高相干度、定向辐射等特性相关的光子集成器件。在本项目中，我们基于计划的研究内容，通过设计优化微纳结构的等离激元特异介质，围绕金属-半导体复合材料的杂化磁共振响应及其发射特性，重点研究了其中的新颖磁共振模式（如磁环偶极子共振）、Fano型相干共振光谱、等离激元受激辐射放大的低阈值增益特性、定向辐射增强等纳米发射器相关的特性。主要结果如下：（1）设计了独特的金属圆盘/半导体/金属圆盘三明治异质结构，发现了磁环偶极子共振这一新颖的涡旋态模式，研究了其模体积、Purcell因子等谐振腔特征；（2）研究了金属/半导体/金属圆环磁环偶极共振与电偶极子辐射源（如荧光分子或单量子点）之间的耦合辐射特性，实现了Fano型的特征光谱。其中，Fano谱的谷对应于非辐射源（Nonradiating source），可以有效地屏蔽电偶极发射体（如量子点或荧光分子）的远场辐射；Fano谱的峰则对应于相长干涉带来的辐射增强，具有显著的辐射方向；（3）在金属/半导体/金属三明治圆盘结构中，首次提出并数值验证了该磁环偶极共振模式存在有类似多铁材料体系中磁电交互转化特征的全光霍尔效应：即在光波照射下产生直流的霍尔电压；（4）针对上述几种金属/半导体等离激元微纳结构设计，研究了其在增益材料辅助下的Fano型杂化共振模式的低阈值纳米发射特性，提出了Fano型相干共振是降低活性介质增益系数要求实现受激辐射放大的充分条件；（5）为了更好地实现等离激元的长程定向传输效应，结合新型二维材料石墨烯的国际研究进展，利用其中可调、亚波长、低损耗的等离激元传输特性，设计了S形，U形、螺旋形、Y形等柔性等离激元传输波导。与金属中相应弯曲的等离激元传输波导相比，本工作所研究的柔性石墨烯弯曲波导可以实现等离激元在特定的条件下的无损传输。另外，还基于石墨烯等离激元分析了开口谐振环互补结构的磁响应并在仿真中实现了石墨烯中等离激元传输的定向、聚集等功能。 （6）我们还在实现了基于等离激元特异介质磁共振响应的宽带、高效不对称透射，以及类电磁诱导透明等。. 上述研究成果已经陆续在Phys. Rev. B, Appl. Phys. Lett., Opt. Express等刊物发表22篇SCI论文，不但实现了原计划的研究目标，而且可对今后的相关研究提供有利的引导。