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[2013][note]通过石墨烯调谐用于开关、传感的动态可重构Fano超——

前言

类型
太赫兹 + 超材料 太赫兹 + 超材料 太赫兹+超材料
期刊
S C I E N T I F I C    R E P O R T S SCIENTIFIC \; REPORTS SCIENTIFICREPORTS
作者
M . A m i n , M . F a r h a t , H . B a g ˇ c ı M. Amin, M. Farhat,H. Ba\v{g}cı M.Amin,M.Farhat,H.Bagˇcı

时间
2013 2013 2013


目录

    • 前言
    • 研究目的
      • 石墨烯
    • 产生Fano共振的物理机制
    • 实验验证
    • 结论
    • 问题

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研究目的

电磁诱导透明EIT:
能够利用外加相干光场来诱导原子系统的相消干涉来抵消媒介对某种光的吸收,使不透明的材料变得透明。
当窄带离散状态与宽带连续介质相消干涉时,会产生EIT,所得光谱是Fano线型

Fano共振:
会产生非对称线形的散射共振现象

在太赫兹(THz)频率下产生等效于EIT的物理现象是当前等离子体电子学研究中最令人兴奋的课题之一

  1. 由于大多数生物分子的振动模式在THz频率下振荡,这意味着在这些频率下产生的EIT为生物传感提供了一种可行的方法

  2. 窄Fano共振周围光线的急剧减速导致对介质折射率变化的敏感性增加

  3. 等离子EIT还可用于设计有效的开关,用于调制通过超材料传输的波的振幅和相位

设计超灵敏生物探测器和有效开关的可能性
促使研究能够在太赫兹频率下支持Fano共振的等离子超材料。

在该光谱带内观察到的石墨烯的独特且高度可调的电性能使其成为此类超材料的构建块的有吸引力的候选材料。

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石墨烯

该论文利用石墨烯对太赫兹频率SPP表面等离子体激元的支持,设计了一种Fano谐振器

将石墨烯、Gold表面产生的SPP混合

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与金属表面产生的等离子激元相比,石墨烯表面等离子激元GSPPs有几个优势

  • 更高的体积限制?,超过衍射极限的 1 0 6 10^6 106倍——更容易调整(通过对石墨烯施加栅极电压)
  • 传播更远的距离
  • 更窄的光谱支持,因为石墨烯的固有损耗更低?

该论文实现的混合石墨烯-金Fano谐振器是一个双周期的单元阵列,使用位于方形金框架中心的方形石墨烯贴片构建。
Fano共振是通过在太赫兹频率下在石墨烯贴片和金框架上产生的偶极SPP之间的相消干涉获得的,并且其光谱形状和位置可以通过将栅极电压施加到石墨烯贴膜而容易地改变

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产生Fano共振的物理机制

在这里插入图片描述

该Fano谐振器由沿z方向传播的平面波激励,电场沿x方向极化

由于晶胞的对称性以及在x、y方向上的相同周期,所以谐振器的响应与偏振无关

当分布用该入射场激发时,Gold框架和石墨烯贴片支持偶极SPP——因此使用金框架和石墨烯贴片构建的谐振器支持在这两个偶极模式之间混合的SPP模式

由于金中存在更高的固有损耗,框架上感应的偶极SPP具有比石墨烯贴片上感应的更宽的光谱支持,这两种模式的相消干涉在谐振器的响应中产生了Fano线形状。

Gold和石墨烯的等离子体频率被大的偏移分开。这意味着对应于在金框架和石墨烯贴片上感应的偶极SPP的谐振频率预计将被大的间隙隔开。为了使谐振频率彼此更接近,并使SPP的频谱支持在太赫兹频率下重叠,将框架和贴片的几何尺寸选择为毫米级

该设计中,石墨烯贴片的SPP与仅由金属制成的传统Fano谐振器设计的“暗模式”类似

此外,与这些传统谐振器不同,提出的设计不要求其对称性“破坏”,因为即使结构完全对称,窄模式也可以直接由入射场激发

石墨烯窄偶极SPP的光谱位置和线型由石墨烯的复相对介电常数ε决定,可通过调整化学势 μ c \mu_c μc来控制

μ c \mu_c μc的变化可以通过使用几乎透明的电极向石墨烯贴片施加栅极电压来实现,而不会干扰谐振器的响应

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实验验证

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结论

该论文是第一个实验混合石墨烯-Gold结构,在THz频率下产生EIT的,

利用了石墨烯上诱导的偶极SPP,比Gold上诱导的要窄得多的事实,以诱导光谱中不对称Fano共振形状

相比传统贵金属构造的Fano谐振器有以下优点:

  • 偏振无关性,因为该设计不需要通过对称破缺激发原始暗模式?
  • 动态可调性,通过改变石墨烯贴片的化学势,来调整Fano共振和EIT窗口的,光谱位置和形状——通过施加栅极电压来调节化学势
  • 更高的Group Index——在EIT窗口周围提取的Group Index——使得对背景介质折射率变化,有更高灵敏度

因为Gold的固有损耗高于石墨烯的固有损耗,所以混合谐振器的总损耗会增加,从而破坏EIT

但是在EIT区域,破坏性干扰发生,辐射损伤受到抑制?

所以,向系统中添加Gold框架,会减少EIT区域的总损耗!

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问题

石墨烯产生的GSPPs比金属产生SPPs有更高的体积限制,这是什么意思?更小?

什么是原始暗模式?

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