Недавно команда профессора Пань Юньлу из Института машиностроения и электроники Харбинского политехнического университета (ХПУ) достигла значительного прогресса в области нелокальных метаповерхностей с высоким фактором качества (высоким Q-фактором), предложив инновационную модель направляемых решёточных резонансов. Учёные успешно преодолели физическое ограничение, связанное с трудностью достижения высокого Q-фактора в метаповерхностях с решёточными резонансами в неоднородных диэлектрических средах.
Результаты работы изложены в статье «High-Q Multimodal Guided-Surface Lattice Resonances in Index-Discontinuous Environments» и опубликованы в журнале «Nature Communications». Данное исследование закладывает важную теоретическую основу для разработки и развития ультратонких интегральных нанофотонных и оптоэлектронных устройств.
Поверхностные решёточные резонансы в метаповерхностях благодаря своим уникальным преимуществам, таким как высокий Q-фактор, значительный эффект усиления локального поля и выраженные дальнодействующие взаимодействия, демонстрируют большой потенциал применения в субволновых устройствах. Однако существующие решёточные резонансные метаповерхности могут достигать высокого Q-фактора только в однородных диэлектрических средах, что серьёзно ограничивает их распространение и применение в таких областях, как биосенсоры.
Для решения этой проблемы команда глубоко проанализировала теоретические причины, по которым решёточные резонансные метаповерхности с трудом достигают высокого Q-фактора в неоднородных диэлектрических средах, и предложила инновационную конфигурацию направляемых решёточных резонансов. Данная конфигурация, основанная на внедрении наночастичной сверхрешётки в планарный волновод, использует точное управление диаграммой направленности дальнего поля наночастиц с помощью волновода. Это эффективно усиливает их взаимное взаимодействие, что в конечном итоге позволяет успешно реализовать высокодобротный направляемый решёточный резонанс в прерывистой диэлектрической среде. Регулируя количество направляемых мод в волноводе, можно достичь мультимодального резонанса без изменения конфигурации сверхрешётки, что открывает возможность для исследований многоспектрального взаимодействия света с веществом.
Кроме того, исследовательская группа предложила метод детекции биомолекул на основе метаповерхностей с направляемыми решёточными резонансами. Объединив теорию направляемых решёточных резонансов с кинетикой биохимических реакций, они построили математическую модель сенсора на основе таких метаповерхностей и подтвердили применимость и надёжность этого метода в экспериментах по детекции типичных биомолекул. Данный подход предоставляет важное техническое руководство и практическую основу для разработки новых нанооптических биосенсоров.
Принцип формирования направляемых решёточных резонансов
Применение метаповерхностей с направляемыми решёточными резонансами в обнаружении биомолекул
Национальная ключевая лаборатория робототехники и систем ХПУ указана в статье как первая аффилированная организация. Первым автором статьи является доцент Хуан Сучу из Института машиностроения и электроники. Профессор Дин Сюйминь из Института инструментальной науки и инженерии, профессор Чжао Сюэчжэнь из Института машиностроения и электроники, профессор Чжэн Юэбин из Техасского университета в Остине и профессор Пань Юньлу из Института машиностроения и электроники являются авторами для переписки.
Исследование выполнено при поддержке грантов Национального фонда естественных наук Китая, собственных проектов Национальной ключевой лаборатории робототехники и систем ХПУ, а также фонда Temple.