Nano Lett.┃基于近场零极模态耦合的超材料链中的深亚波长能量传递

英文原题：Ultracompact Energy Transfer in Anapole-based Metachains 

通讯作者：赵长颖，上海交通大学

作者：Tiancheng Huang, Boxiang Wang, Wenbin Zhang and changying Zhao*

实现突破光学衍射极限尺度的能量传输在诸多领域具有重要意义，如能量转换与收集、集成光子学、光学调制等，因此吸引了研究者的广泛关注。为减少亚波长尺度能量传输中的衍射损失及次生干扰，能量传输器件需要同时具有强电磁场能量局域密度和低材料损失及热辐射发射损失的特性。传统方法中常利用金属材料的表面等离极化激元模态特性，将电磁能量局域在波长尺度的十分之一至百分之一。然而金属材料除具有高本征损失的特性，不利于高效传输。另一种常用亚波长尺度能量传输器件基于光子晶体结构中光子导波能带、腔体耦合模态等依赖周期性条件的模态。但光子晶体能量传输器件对于面外入射波的耦合效率低，需要额外的耦合器件提升耦合效率，无疑增加了能量传输器件的结构复杂性。

近日，上海交通大学赵长颖教授团队基于源自环形模态（TD）及电偶极模态（ED）的远场干涉相消形成的零极模态所具有的近场能量增强现象设计了一种高效超材料波导器件。该超材料波导基于介电材料硅，从而在避免了金属结构中的耦合损耗的同时，降低了光子晶体能量传输器件的结构复杂性，因此在实现亚波长尺度热辐射能量传输应用中具有巨大潜力。

图1. 超材料单元中零极模态的激发特性。（a）超材料链及单元结构示意图；（b-d）分别为空隙宽度为G=0、0.5R、0.9R结构单元的多极模态展开结果，图例展现了相应零极模态的电场分布。

作者首先对超材料单元结构及零极模态的激发特性进行了理论研究。本研究基于模态展开方法对完美硅碟结构单元(G=0)，及空隙尺寸分别为0.5R和0.9R的开口碟结构单元中的模态激发进行了研究，其结果如图1所示。根据零极模态对TD及ED的强度及反相位要求可判断图中的零极模态频率。零极模态频率处也分别出现了（ED+TD）的极小值，对应了ED和TD模态的干涉相消现象。通过观察图1b-d可发现当空隙尺寸G逐渐增大时，磁四极模态MQ响应在零极模态处占比增大，当G=0.9R时总散射强度在零极模态频率未出现干涉相消导致的法诺线型，而是呈现出具有亮模态特性的洛伦兹线型。通过进一步的数值模拟研究发现空隙尺寸分别为0.5R的单元结构具有最高的耦合传输效率。

作者通过实验进一步研究了超材料链在中红外波段的光谱传递效率。图2展示了加工的超材料链的几何特征及近场传输特性的实验表征结果。图2a和b中展示了超材料链整体及局部的扫描电子显微镜对其俯视图的观测结果。超材料单元高度利用原子力显微镜测量。总体上，加工尺寸与设计尺寸差距在可接受的范围内。图2d展示了利用近场光学显微测试系统对超材料链近场能量传输进行评估的原理示意图，其工作原理为利用两个位置处收集得到的信号比值关系对超材料链的能量传递效率进行评估，其结果与FDTD的测试结果保持一致。

图2. 超材料链的加工及近场传输特性研究。（a）和（b）展示了超材料链的整体及局部俯视扫描电子显微图片；（c）展示了超材料结构单元的原子力显微镜对其高度信号的测量结果；（d）展示了通过近场扫描显微镜对超材料链传输特性的评估实验示意图；（e）为近场实验与理论计算的对比，其中青色误差棒表示了测量值的标准误差。

同时，作者通过近场光学显微系统揭示了超材料链传输效率对应的近场模态。图3展示了各波长下超材料链中电场在x、y、z分量的振幅分布情况及Ez的相位分布的实验及模拟结果。图3b对应了零极模态的激发波长，其Ex方向振幅分量由于零极模态电场矢量的涡旋分布得到明显增强； Ey振幅方向分量在空隙附近区域有显著增强，与零极模态电场分布情况相符。对比图3中的近场实验及模拟计算结果可以发现整体上二者吻合较好，由此验证了零极模态的激发及耦合对于超材料链中能量传递的关键作用。

图3. 超材料链结构单元的模态激发与电场分布情况。（a-c）分别为y偏振情况下10.17 μm，10.33 μm，10.67 μm波长对应电场分量分布情况。（d）x偏振情况下10.33 μm波长对应电场分量分布情况。图中箭头方向代表入射源偏振方向。

综上所述，作者设计了一种由开口硅碟组成的超材料链，由于其中零极模态的激发与近场耦合可将电磁能量局域在超薄结构单元中，其厚度仅为入射波长的1/13。此外，作者利用扫描近场显微系统对超材料在中红外波段的能量传输特性及模态的近场激发与耦合进行了深入研究，在能量传输效率最高波长下明确地观察到了超材料单元中零极模态的近场激发特征，验证了超材料链中零极模态对于实现高效亚波长能量传输的关键性作用。作者认为该超材料链凭借优秀的传输效率、简单的结构组成及亚波长尺度特性有望广泛运用于高性能集成光子器件。同时基于其电磁能量传输的近场尺度可支持超黑体普朗克定律的热辐射能量传输，因此该超材料链在近场热辐射制冷领域亦有发展潜力。

相关论文发表在Nano Letters 上，上海交通大学博士研究生黄天成为文章的第一作者，赵长颖教授为通讯作者。

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Ultracompact Energy Transfer in Anapole-based Metachains

Tiancheng Huang, Boxiang Wang, Wenbin Zhang, and Changying Zhao*

Nano Lett., 2021, 21, 6102–6110, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01571

Publication Date: July 16, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）