石墨烯等离激元分子可调谐电磁性质的研究

Plasmonic molecules (PMs) are composed of the artificial nanostructures, where the plasmonic modes interact and demonstrate the special collective behaviors. PMs get broad area application from fundamental research to engineering implementation. However, the inherent shortages including high loss, loss confinement and frequency intunability in traditional plasmonic materials become the bottleneck of the progress in this field. It is well known that the graphene supported plasmons offer the advantages including high confinement, low loss and frequency tunability. In this proposal, we employ graphene as the material platform and construct the PMs to avoid the inherent shortages of the traditional plasmonic materials. Finite Element Method is conducted to numerically investigate the tunable properties of the near fields and the far field extinction spectra of the graphene PMs, including the evolution from the isolated modes to the collective modes; the effect of the symmetry on the collective modes; dynamic modulation of the high order Fano resonance in the composite graphene PMs and the low propagation loss magnetic plasmon waveguides composed of graphene PMs. The research in this proposal would make a significant impact in understanding the tunable electromagnetic properties. It would find broad area applications including interaction between light and matter, Quantum optics, nanophotonics, and biochemical sensing technology.

等离激元分子是由等离子体模式之间有相互作用，并且呈现特殊的共有化行为的人造纳米结构。由于其具有品质因子高、结构设计灵活以及对环境敏感等优点，因此在基础研究到工程技术有广泛的应用。然而，传统的等离激元分子的材料因存在着高损耗、低限制本领和频率不可调谐等缺点，成为这个领域进一步发展的瓶颈。众所周知，石墨烯对其表面等离激元具有的高局域化、低损耗和频率可调谐的优势。本项目拟利用石墨烯作为材料平台构建表面等离激元分子，采用有限元数值方法系统研究其可调谐近场电磁分布以及远场消光光谱的性质。本项目拟从分立模到共有化模演变，对称性共有化模式的影响，高阶法诺谐振的动态调控，和磁等离激元波导结构等方面展开研究，重点揭示石墨烯化学势变化对这些方面调谐作用和机理。本项目的实施将有助于对石墨烯等离激元分子的可调谐电磁性质有全面的理解，在光和物质相互作用，量子光学，纳米光子学和生化传感技术等领域有重要的应用。

等离激元分子是由等离子体模式之间有相互作用，并且呈现特殊的共有化行为的人造纳米结构。 由于其具有品质因子高、结构设计灵活以及对环境敏感等优点，从基础研究到工程技术都有广泛的应用。然而，传统的等离激元分子材料因存在着高损耗、低限制本领和频率不可调谐等缺点，成为这个领域进一步发展的瓶颈。众所周知，石墨烯对其表面等离激元具有的高局域化、低损耗和频率可调谐的优势。本项目利用石墨烯作为材料平台构建表面等离激元分子，采用有限元数值方法系统研究其可调谐近场电磁分布以及远场消光光谱的性质。本项目从分立模到共有化模演变，对称性共有化模式的影响，高阶法诺谐振的动态调控，揭示了石墨烯化学势变化对这些方面调谐作用和机理。同时，本项目将石墨烯等离激元扩展到Talbot效应，超构表面光相阵和拓扑性质等领域。获得了高灵敏性折射率纳米传感结构；具有等效电磁参数小于零，等于零或大于零的超颖材料，以及利用其构造的有趣的结构；具有鲁棒性的等离激元拓扑保护边界态，谷拓扑态，具有单向传输的赝自旋态，本项目的顺利实施有助于对石墨烯等离激元分子的可调谐电磁性质有全面的理解，在光和物质相互作用，量子光学，纳米光子学，生化传感技术，等离激元超颖材料，纳米激光器纳米尺寸的相控阵和拓扑等离激元学等领域有重要的应用，为完成各类霍尔效应在等离激元领域的拼图通过有益的参考和可靠的材料。