基于表面等离激元磁共振的纳米器件的研究

This project focuses on the magnetic response of electromagnetic metamaterials at optical frequency which is one of the basic problems in plasmonics and draws great attention due to its “magic“ application such as negative refraction, subwavelength imagining, superlenses, cloaking, chirality etc. Magnetic resonators (MR) (split-ring resonator is a typical example) related to magnetic surface plasmon has been the magnetic “meta-atoms” of choice. In our previous work, we study the interaction of magnetic resonators. The correlated phase of interaction including both the retardation effect and relative phase difference between two MRs is defined, and it plays a key role in the MR interaction. The correlated phase is anisotropic, as is the coherence condition. The system of MRs is strongly correlated and has ultralong distance interaction. In the near future, we will drive our work in two aspects. (1) Experimentally confirm the defined correlated phase and the anisotropic coherence condition of MRs. (2) Study the indirect and hybridization interaction between MRs by coupling with the other metal structures and explore new method to enhance the magnetic response of electromagnetic wave. Furthermore we will study their related optical properties, control the plasmon propagation, achieve the nanofocusing of electromagnetic radiation, design and develop a new kind plasmonic waveguide. This project would contribute to the exploit of magnetic field in the interaction of electromagnetic wave and condensed matter.

本项目是关于表面等离激元学中电磁波的磁场响应的研究，是负折射、亚波长分辨率成像、超透镜、隐身和手性等深入研究和应用所必需的基础及应用研究。等离激元磁共振的单元——磁振子组成的体系是一个强关联并且有超长相互作用的复杂体系，磁振子作为人工超材料的磁原子，其相互作用与人工超材料的特性密切相关。前期我们从相位和延迟效应角度开展了相关研究，首次定义了对各向异性相互作用起决定作用的新物理参量——关联位相，本项目在此基础上，拟开展二方面工作：（1）从实验上验证磁振子相干的各向异性条件，进而证明关联位相这个新物理参量的重要性。（2）研究等离激元磁振子与其它结构耦合的间接相互作用或磁杂化模式，寻找加强磁振子耦合结构对电磁波的磁场响应的新方法，探索相关光学特性，实现电磁场的强局域纳米聚焦、等离激元局域信号的可控传输，进而开发和研制新型等离激元波导。该工作将有助于光与物质相互作用中磁场成分的开发和利用。

本项目按计划开展了关于表面等离激元学中电磁波的磁场响应的研究，等离激元磁共振的单元——磁振子组成的体系是一个强关联并且有超长相互作用的复杂体系。我们通过在金属薄膜两侧建立磁共振结构，首次利用高阶磁等离激元共振在近红外区域对50纳米厚金属薄膜实现了80%电磁能量的超透射遂穿。为了有利于实验加工，又提出了另一种诱导金属薄膜透明的方案。一层磁共振等离激元结构首先被制备到中间金属薄膜上，在金属薄膜的下表面引入了一个光学共振腔形成非对称的结构。这里设计的等离激元-光学混合结构中，磁共振机制和光学FP共振机制共同存在。还设计了一个新的光能汇聚结构，将蝴蝶结纳米天线和磁振子纳米天线置于其上，原来聚焦在纳米微腔中的电、磁场有效地转移到了蝴蝶结纳米天线和磁振子纳米天线中，蝴蝶结纳米天线中的电场增强和磁振子纳米天线中磁场增强分别可达3000和200以上。据我们所知，这两个增强值都是同类最高的。鉴于其在多方面应用的潜力，该工作已经申请了专利。我们通过研究电介质和金属组装而成的Ge-Ni超材料结构，利用几种机制的协同作用，设计出了在0.15µm到5µm波段范围内的宽频宽角度（0-60度）超吸收器件。太阳能光谱中99%的能量集中在0.15µm到4µm之间，该设计有利于太阳能的高效利用。在光谱和红外波段，石墨烯的电磁吸收率仅有2.3%，如此低的绝对吸收率大大限制了基于石墨烯的光电探测器的性能。为了改善石墨烯光电探测器的性能，增强石墨烯对电磁波的吸收，我们提出了金属-电介质-石墨烯“三明治”结构，利用该结构中传播的等离激元波的多级FP共振，实现了石墨烯在2THz - 60THz频率范围内多频带的完美吸收效果，并且吸收效果在斜入射下有很好的保持。