Dimostrazione sperimentale di risonanze multiple di Fano in una matrice specchiata di split

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15846 (2022) Citare questo articolo

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Questo lavoro dimostra la prima osservazione sperimentale di risonanze Fano multiple nell'intervallo dei terahertz in un sistema basato su una serie di risonatori ad anello diviso a simmetria speculare depositati su substrato di politetrafluoroetilene (PTFE) a bassa perdita e basso indice di rifrazione. Per la prima volta, l'attivazione superficiale selettiva indotta dalla tecnologia laser è stata utilizzata per depositare uno strato di rame su un substrato di PTFE con l'ulteriore applicazione della litografia a maschera standard per la produzione di metasuperfici.

Risonanze di tipo Fano si osservano nelle metasuperfici costituite da risonatori ad anello diviso (SRR). Per ottenerlo viene introdotta un’ulteriore asimmetria nell’SRR. Tipicamente l'anello viene diviso in due sezioni di diversa lunghezza dove viene eccitato il cosiddetto “modo oscuro”, responsabile della comparsa della risonanza di Fano1. A causa del debole accoppiamento della modalità oscura con i campi elettrici esterni, la risonanza di Fano dimostra un'elevata qualità di risonanza. Pertanto, si prevede che tale metamateriale possa trovare applicazione nello sviluppo di una varietà di sensori2.

A causa dei diversi requisiti applicativi, l'interesse di ricerca nel campo della risonanza di Fano si è diffuso da una singola risonanza di Fano a più risonanze di Fano. Le risonanze multispettrali di Fano sono promettenti nel rilevamento biochimico multicanale3, nella generazione di seconda armonica multi-banda4 e negli assorbitori/emettitori multi-banda5. Mentre la singola risonanza Fano deriva dalla combinazione di una modalità luminosa e una modalità scura, la combinazione di una modalità luminosa con diverse modalità scure può dare come risultato diverse risonanze Fano. Le risonanze Fano multiple vengono create introducendo nuove asimmetrie in una struttura periodica planare6, eccitazione collettiva di un reticolo metamolecolare costituito da due diversi risonatori metamateriali7, mediante accoppiamento tra la modalità plasmone-polaritone di superficie e le modalità guida d'onda planare multiordine8. Risonanze multiple di Fano in strutture di guida d'onda metallo-isolante-metallo con diverse forme di cavità9 hanno attirato l'attenzione di molti ricercatori per le loro eccezionali caratteristiche, tra cui la facilità di integrazione e il confinamento profondo della luce nelle lunghezze d'onda visibili e del vicino infrarosso. Sono state proposte strutture ibride di guide d'onda metamateriali (HMW) per stabilire più picchi Fano causati dall'interferenza distruttiva delle modalità plasmoniche quasi guidate e luminose scure. Considerazioni teoriche hanno dimostrato che, grazie alle caratteristiche multimodali della guida d'onda della lastra, il design HMW può offrire un modo semplice per realizzare molteplici risonanze Fano in semplici risonatori metallici che operano negli intervalli spettrali del lontano infrarosso e dei terahertz10,11,12. Recentemente, nella gamma di frequenze GHz, è stata dimostrata sperimentalmente una trasparenza multipla indotta elettromagneticamente utilizzando una metasuperficie a doppio strato13 e un'estensione di conversione della polarizzazione a banda ultralarga utilizzando risonanze Fano multiple14. In entrambi i casi, per ottenere risonanze multiple, le celle unitarie delle metasuperfici proposte sono state piuttosto complicate.

In questo lavoro, presentiamo la prima osservazione sperimentale di risonanze Fano multiple nella gamma dei terahertz nel sistema HMW basato su una serie di risonatori ad anello diviso a simmetria speculare15,16. Proponiamo uno schema per l'osservazione multipla della risonanza di Fano tramite l'interazione della modalità plasmonica con le modalità della guida d'onda dielettrica che appaiono in una matrice simmetrica a specchio di SRR depositati su substrato di politetrafluoroetilene (PTFE) a bassa perdita e basso indice di rifrazione. Aumentando lo spessore del substrato, vengono eccitate modalità di guida d'onda più elevate. Di conseguenza, interagiscono con la modalità plasmonica e compaiono molteplici risonanze Fano. Il numero di risonanze Fano e le loro frequenze caratteristiche possono essere regolate semplicemente variando lo spessore del substrato. Sorprendentemente, il nostro progetto fornisce una guida d’onda aperta (priva di rivestimento) con un grande potenziale per la progettazione di biosensori a più lunghezze d’onda, sensori di indice di rifrazione e filtri.