Chirale kvasibundne tilstande i kontinuumet for en cirkulært polariseret lyskilde med høj renhed

En ultrakompakt cirkulært polariseret lyskilde er en afgørende komponent for anvendelser af klassisk og kvanteoptik informationsbehandling. Udviklingen af ​​dette felt er afhængig af to områders fremskridt:kvantematerialer og chirale optiske hulrum. Konventionelle tilgange til cirkulært polariseret fotoluminescens lider af usammenhængende bredbåndsemission, begrænset DOP og store udstrålingsvinkler. Deres praktiske anvendelser er begrænset af lav effektivitet og energispild til uønsket håndhævelse og emissionsretninger. De chirale mikrolasere kan have store DOP'er og retningsbestemt output, men kun i specifikke effektområder. Det vigtigste er, at deres undertærskelpræstationer falder markant. Indtil nu er strategien for samtidig kontrol af chiral spontan emission og chiral lasering stadig fraværende.

I et nyt papir offentliggjort i Science , anvender forskere fra Harbin Institute of Technology og Australian National University fysikken af ​​chirale kvasibundne tilstande i kontinuummet (BIC'er) og demonstrerer den effektive og kontrollerbare emission af cirkulært polariseret lys fra resonante metasurflader.

BIC'er med heltals topologisk ladning i momentumrum og en teoretisk uendelig Q-faktor er blevet udforsket til mange applikationer, herunder ikke-lineær optik og lasering. Ved at introducere asymmetri i planet bliver BIC'er til at være kvasi-BIC'er med endelige, men stadig høje Q-faktorer. Interessant nok ville den heltals topologiske ladning af BICs tilstand opdeles i to halve heltals ladninger, som symmetrisk fordeler sig i momentumrum og svarer til venstre- og højrehåndede cirkulære polarisationstilstande, også kendt som C-punkter.

Ved C-punkterne kan indfaldende lys med én cirkulær polarisationstilstand kobles ind i nanostrukturerne og producere dramatisk forbedrede lokale elektromagnetiske felter. Den anden polarisationstilstand er afkoblet og transmitterer næsten perfekt. Sådanne karakteristika er velkendte, men anvendes sjældent på lysemissioner. "Dette er hovedsageligt, fordi C-punkterne normalt afviger fra bunden af ​​båndet. De har en relativt lav Q-faktor og kan ikke være begejstrede for laserhandlinger," siger Zhang.

For at realisere den chirale lysemission er et nøgletrin at kombinere den lokale tæthed af stater med den iboende chiralitet ved C-punkter. Hvis et C-punkt forskydes til bunden af ​​båndet, kan Q-faktoren for den tilsvarende chirale kvasi-BIC være maksimal. Ifølge Fermi's gyldne regel forstærkes strålingshastigheden af ​​en cirkulært polariseret spontan emission, mens den anden polarisering hæmmes. Både Q-faktoren og strålingshastigheden reduceres dramatisk med emissionsvinklen. Som et resultat kan der forventes høj renhed og meget retningsbestemt lysemission nær Γ-punktet.

"Selvfølgelig kan det andet C-punkt understøtte lignende høj chiralitet med modsat håndhed. Det punkt afviger dog også fra den maksimale Q-faktor og bliver mindre forstærket. Derfor producerer vores metasurface kun én cirkulær polarisering i nærheden af ​​enhed med høj retningsbestemmelse omkring det normale retning," siger Zhang.

Styringen af ​​C-punkter i momentumrummet er tæt forbundet med maksimeringen af ​​chiralitet i normal retning. I princippet relaterer realiseringen af ​​chiralitet til den samtidige brydning af in-planet og out-of-planet spejlreflektionssymmetrier. I denne forskning har holdet introduceret en ud-af-planet asymmetri, hældningen af ​​nanostrukturer. For en asymmetri i planet er der en asymmetri uden for planet, der kan flytte et C-punkt til Γ-punkt. "Vi finder ud af, at to typer asymmetrier er lineært afhængige af hinanden. Dette gør optimering af chiralitet i normal retning meget let," siger Zhang.

I eksperimenter har forskerne fremstillet metaoverfladerne med en et-trins skrå reaktiv ionætsningsproces og karakteriseret emissionerne. Under excitation af en nanosekundlaser har de med succes demonstreret de chirale emissioner med en DOP på 0,98 og en fjernfelts divergerende vinkel på 1,06 grader. "Vores cirkulære lyskilde er realiseret med kontrol af C-punktet i momentumrum og lokal tæthed af staten. Den er uafhængig af excitationskraften," siger Zhang. "Dette er grunden til, at vi kan opnå den høje Q, høje retningsbestemmelse og cirkulære polarisationsemission med høj renhed fra spontan emission til lasering."

Sammenlignet med konventionelle tilgange giver den chirale kvasi-BIC en måde at samtidigt modificere og kontrollere spektre, strålingsmønstre og spin-vinkelmomentum af fotoluminescens og lasering uden nogen spin-injektion. Denne tilgang kan forbedre designet af nuværende kilder til chiralt lys og øge deres anvendelser i fotoniske og kvantesystemer. + Udforsk yderligere

Forbedring af robustheden af ​​bundne tilstande i kontinuummet med højere topologiske ladninger