高品质微腔上纳米天线协作相互作用实现单向光源

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-019-0227-x

近日，荷兰阿姆斯特丹大学纳米光子学中心的Kévin G. Cognée，Hugo M. Doeleman和A. F. Koenderink与法国波尔多大学的Philippe Lalanne合作在《Light: Science & Applications》（中文名称《光：科学与应用》）期刊上发表了题为“Cooperative interactions between nano-antennas in a high-Q cavity for unidirectional light sources”的文章。他们设计并实验制造了一种高品质因子的等离子体—光子混合模式谐振腔，该混合模式谐振腔是在氮化硅微盘上布置成对的等离子体天线（铝天线二聚体）实现的。该系统利用谐振腔模式能够实现谐振偶极—偶极相互作用，通过预测和测量谐振线宽和频移可以明显观察到这种相互作用。同时，他们把“相控阵”天线的物理概念引入到等离子体—光子混合谐振腔中，预测到相比于单个天线，该系统能够构造出显著增强的局域态密度，联系到向腔内单向注入荧光的意义上来，这种增强是“手性的”。并且实验结果直接验证了所预测的偶极天线耦合的协作效应，该效应是天线间距对混合模式品质因数和谐振条件的函数。

文章中的工作考虑的是多个金属纳米粒子与光学微腔的杂化混合，这种体系具有三个创新点。第一点是它实现了谐振腔中偶极—偶极相互作用导致的协同散射，为量子光学中重要的协同辐射问题提供了一种经典的初级形式。第二点是从天线的角度来看，将相控阵天线的概念引入到杂化混合系统中，不仅实现了对Purcell因子的增强，还对远场辐射通道进行了分配。第三点是研究杂交混合系统的腔模式，实现了Wiersig观点中的等离子体实现的第一步，该观点提出回音壁模式微腔上的介电散射体能够支持与特殊点(exceptional point)相关的手性本征模式。

图3 天线二聚体微盘腔系统的复本征频率 (a)本征频率的实部；(b)本征频率的虚部，对称模式（蓝色），反对称模式（红色）；(c, d, e) 振幅；(f, g, h)相位

图4 实验装置示意图，使用窄带宽可调谐二极管激光器和锥形光纤激励微盘腔，同时将物镜收集到的锥型光纤的反射，透射和向外散射记录到相机或光电二极管上

图5 天线二聚体微盘腔系统的散射特性和本征频率 (a)偶极图解释对称简并准正规模式的远场辐射；(b, c)预测对称和反对称简并准正规模式的近似角辐射模式；(d)锥型光纤的透射（红色）和反射（蓝色）的二极管信号；(e)记录到的辐射图像；(f)谐振频率；(g)线宽，对称模式（蓝色），反对称模式（红色）

图6 模式劈裂与天线间距之间的关系 (a)对称模式与反对称模式的谐振频率差；(b)对称与反对称模式的线宽之差；(c)很强蓝失谐天线的谐振频率差（蓝色）和线宽之差（红色）；(d)对称与反对称模式的独立线宽；(e)方位角模式数；(f)极坐标表示下的测量值