高品质因子的3D环磁共振超材料

环磁极矩(toroidal moment)是一种由圆环体上沿经线流动的电流或者首尾相接的磁偶极矩产生的电磁激励,由于强度较弱,它往往被电极矩和磁极矩所掩盖, 难以被直接观测。直到2010 年,人们才利用超材料结构在微波波段实现了动态环磁极矩主导的电磁响应。动态环磁极矩具有非凡的电磁能量局域能力与辐射抑制能力,因此高品质因子的环磁极矩在等离激元激光、传感、旋光、负折射率等领域具有重要应用价值。但是在高频波段,由于受到材料结构与空间调制能力的限制,实现具有实用价值的环磁极矩共振超材料还面临诸多困难。

AM-liuzhe

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)微加工实验室的刘哲博士以及李俊杰和顾长志研究员等人利用自主开发的基于聚焦离子束的应变诱导3D微纳米结构加工方法,在预先金属图形化的透明SiNx薄膜上,将微米尺寸的金属开口谐振环结构在3D空间以不同的开口方向和空间位置进行组合,获得具有高构型自由度的3D光学超材料。在垂直方向入射光的激发下,金属谐振环产生LC共振,不同开口方向谐振环的共振模式发生耦合,导致磁偶极矩沿环形首尾相接,形成环磁偶极共振。该环磁共振位于中红外波段,且品质因子高达20.78,是在光频波段已有报导的最高值。通过分析环磁偶极矩的辐射能量谱,他们观察到在共振频率处TZ取得最大值,证明了环磁偶极共振的存在。为了使环磁偶极辐射的强度高于电偶极和磁偶极,他们利用斜入射的TM波进行激发,发现随着入射角度的增加,TZ辐射分量逐渐增强,并且在75°入射角时其辐射强度超过电偶极和磁偶极,同时仍保持较高的品质因子。这一结果证明了利用折叠式3D结构实现高品质因子环磁偶极共振的可能性,显示出在高性能传感和等离激元激光等领域的广泛应用前景。该研究结果作为Frontispiece发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201606298)上。

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