RU194033U1

RU194033U1 - Active dielectric nanoantenna

Info

Publication number: RU194033U1
Application number: RU2019124774U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Александрович Зуев; Эдуард Игоревич Агеев; Анастасия Сергеевна Залогина; Роман Сергеевич Савельев; Сергей Владимирович Макаров; Илья Владимирович Шадривов; Артем Олегович Ларин
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2019-11-25

Abstract

Активная диэлектрическая наноантенна относится к области физики и служит для усиления излучения точечного источника и может быть использована для управления излучением источника одиночных фотонов. Наноантенна состоит из оптически резонансного нанообъекта, выполненного в виде шара радиусом R₁, где 100 нм<R₁<500 нм, резонатор выполнен из материала с высоким показателем преломления n>2,4 со встроенным точечным излучателем для эффективного усиления и контроля излучения. Заявляемая полезная модель решает задачу по повышению фактора Парселла квантового излучателя. 1 ил.

Active dielectric nanoantenna belongs to the field of physics and serves to enhance the radiation of a point source and can be used to control the radiation of a single photon source. The nanoantenna consists of an optically resonant nano-object made in the form of a ball of radius R ₁ , where 100 nm <R ₁ <500 nm, the resonator is made of material with a high refractive index n> 2.4 with an integrated point emitter for effective amplification and control of radiation. The inventive utility model solves the problem of increasing the Purcell factor of a quantum emitter. 1 ill.

Description

Активная диэлектрическая наноантенна относится к области физики и служит для усиления электромагнитного (ЭМ) излучения точечного источника, например, инфракрасного излучения или излучения видимого диапазона, и может быть использована для создания различных устройств квантовой обработки информации, сверхбыстрых оптических переключателей и сенсорных наносистем, обеспечивающих наномасштабную оптическую диагностику температурных процессов и состояния веществ в режиме реального времени.Active dielectric nanoantenna belongs to the field of physics and serves to enhance the electromagnetic (EM) radiation of a point source, for example, infrared radiation or radiation of the visible range, and can be used to create various devices for quantum information processing, ultrafast optical switches, and sensor nanosystems that provide nanoscale optical diagnostics of temperature processes and state of substances in real time.

Известна нелинейная диэлектрическая наноантенна (патент РФ 177658 U1, МПК G02B 27/00, В82В 1/00, дата приоритета 26.12.2016, дата публикации 05.03.2018). Данная наноантенна состоит из диэлектрического резонатора, выполненного в виде шара радиусом R₁, где 60 нм<R₁<200 нм, резонатор выполнен из материала с высоким показателем преломления n>3 и помещен в однородный сферический металлический слой с внешним радиусом R₂, оболочка выполнена из материала с отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости и низкой мнимой ее частью, а величина R₂ лежит в пределах R₁<R₂<2R₁. Однако приведенная нелинейная диэлектрическая наноантенна обеспечивает повышение коэффициента преобразования энергии падающего излучения в излучение на других частотах и увеличение спектра генерируемых длин волн, но не позволяет усиливать излучение точечного источника.A nonlinear dielectric nanoantenna is known (RF patent 177658 U1, IPC G02B 27/00, B82B 1/00, priority date 12/26/2016, publication date 03/05/2018). This nanoantenna consists of a dielectric resonator made in the form of a ball of radius R ₁ , where 60 nm <R ₁ <200 nm, the resonator is made of a material with a high refractive index n> 3 and placed in a homogeneous spherical metal layer with an external radius R ₂ , the shell made of a material with a negative real part of the dielectric constant and its low imaginary part, and the value of R ₂ lies in the range of R ₁ <R ₂ <2R ₁ . However, the above nonlinear dielectric nanoantenna provides an increase in the coefficient of conversion of the energy of the incident radiation into radiation at other frequencies and an increase in the spectrum of the generated wavelengths, but does not allow amplification of the radiation of a point source.

Известна оптическая диэлектрическая наноантенна (патент РФ 132573 U1, МПК G02B 27/00, В82В 1/00, дата приоритета 07.05.2013, дата публикации 20.09.2013). Данная наноантенна состоит из точечного оптического источника и наночастицы, выполненной в виде шара с радиусом R_s субволновой величины, изготовленной из диэлектрического материала с показателем преломления

где λ - длина волны излучения, источник расположен в выемке на поверхности шара, выполненной в виде полусферы радиуса R_n. Данная оптическая диэлектрическая наноантенна обеспечивает трансформацию ближнего поля излучения квантового источника в свободно распространяющееся ЭМ, но не дает возможности усиления излучения точечного источника.Known optical dielectric nanoantenna (RF patent 132573 U1, IPC G02B 27/00, 1/82 B82B, priority date 05/07/2013, publication date 09/20/2013). This nanoantenna consists of a point optical source and a nanoparticle made in the form of a ball with a radius R _{s of a} subwavelength made of a dielectric material with a refractive index

where λ is the radiation wavelength, the source is located in a recess on the surface of the ball, made in the form of a hemisphere of radius R _n . This optical dielectric nanoantenna provides the transformation of the near field of the radiation of a quantum source into a freely propagating EM, but does not allow amplification of radiation of a point source.

Известно устройство для усиления излучения точечного источника (отдельных молекул) на основе оптических наноантенн, совпадающее с заявляемым техническим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятое за прототип (патент США №20120091365 А1, МПК G01N 21/64, дата приоритета 17.10.2011, дата публикации 19.04.2012). Указанное устройство представляет собой резонатор, выполненный в виде наноантенны типа «галстук-бабочка», состоящей из металлических (золотых (n=0,2-1,0 в диапазоне λ=0,5-1,0 мкм), алюминиевых (n=0,8-1,4), серебряных (n<0,1), медных (n=0,3-1,2) или их сплавов) электродов, в 50 нм промежутке между которыми помещается точечный источник. Электрическое поле, возникающее между электродами при их облучении лазерным пучком, увеличивает интенсивность излучения (уменьшает время жизни возбужденного состояния) точечного источника (флуоресцентной молекулы). Недостатком прототипа является то, что точечный источник расположен снаружи наноантенны, что приводит к дополнительным потерям излучения источника.A device is known for enhancing the radiation of a point source (individual molecules) based on optical nanoantennas, which coincides with the claimed technical solution for the largest number of essential features and is taken as a prototype (US Patent No.2019291365 A1, IPC G01N 21/64, priority date 10/17/2011, date publication 04/19/2012). The specified device is a resonator made in the form of a nanoantenna of the “bow-tie” type, consisting of metal (gold (n = 0.2-1.0 in the range λ = 0.5-1.0 μm), aluminum (n = 0.8-1.4), silver (n <0.1), copper (n = 0.3-1.2) or their alloys) electrodes, in a 50 nm gap between which a point source is placed. The electric field arising between the electrodes when they are irradiated with a laser beam increases the radiation intensity (reduces the lifetime of the excited state) of a point source (fluorescent molecule). The disadvantage of the prototype is that the point source is located outside the nanoantenna, which leads to additional loss of radiation from the source.

Задачей, на решение которой направлена данная полезная модель, является увеличение интенсивности излучения (повышение фактора Парселла) точечного источника.The problem that this utility model aims to solve is to increase the radiation intensity (increase the Purcell factor) of a point source.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в оптимизации геометрических параметров и используемых материалов для активной диэлектрической наноантенны, соответствующей сокращению времени жизни возбужденного состояния и/или повышению интенсивности излучения. Данный технический результат достигается вследствие того, что активная диэлектрическая наноантенна представляет собой диэлектрический резонатор, выполненный в виде шара радиусом R₁, где 100 нм<R₁<500 нм, резонатор выполнен из материала с высоким показателем преломления n>2,4 со встроенным точечным источником.The problem is solved by achieving a technical result, which consists in optimizing the geometric parameters and materials used for an active dielectric nanoantenna, corresponding to a reduction in the lifetime of an excited state and / or an increase in radiation intensity. This technical result is achieved due to the fact that the active dielectric nanoantenna is a dielectric resonator made in the form of a ball of radius R ₁ , where 100 nm <R ₁ <500 nm, the resonator is made of a material with a high refractive index n> 2.4 with an integrated point source.

Конфигурация активной диэлектрической наноантенны приводит к эффективному усилению возбуждаемых внутри диэлектрического резонатора низших и высших дипольных и мультипольных моментов ЭМ поля (резонансов Ми). Размер и форма активной диэлектрической наноантенны подобраны для наиболее эффективного возбуждения магнитной дипольной моды диэлектрического резонатора, а также для того, чтобы и лазерное излучение накачки, и спектр излучения (фотолюминесценции) точечного источника спектрально перекрывались с внутренними электрическими или магнитными резонансами Ми наноантенны. За счет положительной интерференций мод ЭМ полей резонатора достигается значительное усиление излучения точечного источника.The configuration of the active dielectric nanoantenna leads to an effective amplification of the lower and higher dipole and multipole moments of the EM field (Mie resonances) excited inside the dielectric resonator. The size and shape of the active dielectric nanoantenna are selected for the most efficient excitation of the magnetic dipole mode of the dielectric resonator, and also so that both the pump laser radiation and the emission spectrum (photoluminescence) of the point source overlap spectrally with the internal electric or magnetic resonances of the nanoantenna. Due to the positive interference of the modes of the EM fields of the resonator, a significant amplification of the radiation of a point source is achieved.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим. В качестве материальной составляющей сферического резонатора субволнового размера используются диэлектрические материалы с высоким значением показателя преломления n>2,4. В качестве примера таких материалов можно указать алмаз. При взаимодействии такого резонатора с падающей ЭМ волной возбуждаются электрический (ЭД) и магнитный (МД) дипольные моменты (моды Ми). Усиление полей на резонансных значениях частот для ЭД и МД может достигать нескольких десятков. За счет пространственного перекрытия между положением точечного излучателя, расположенного внутри резонатора, и электрическим полем дипольных моментов (мод Ми) достигается усиление излучения точечного источника. Спонтанное излучение максимально усиливается в случае, когда излучающий диполь располагается в максимуме поля моды, и ориентация диполя совпадает с поляризацией электрического поля.The essence of the claimed utility model is explained as follows. Dielectric materials with a high refractive index n> 2.4 are used as the material component of a subwavelength spherical resonator. Diamond can be mentioned as an example of such materials. When such a resonator interacts with an incident EM wave, electric (ED) and magnetic (MD) dipole moments (Mie modes) are excited. The field amplification at resonant frequencies for ED and MD can reach several tens. Due to the spatial overlap between the position of the point emitter located inside the resonator and the electric field of the dipole moments (Mie mode), amplification of the radiation of the point source is achieved. Spontaneous emission is maximized when the emitting dipole is located at the maximum of the mode field, and the dipole orientation coincides with the polarization of the electric field.

Условие выбора показателя преломления диэлектрического материала обосновывается необходимостью возбуждения в резонаторе резонанса Ми в видимом диапазоне длин волн с сохранением субволнового размера наноантенны. Высокий показатель преломления таких диэлектрических наноантенн также позволяет контролировать излучение не только за счет электрической, но и магнитной компоненты с низкими диссипативными потерями. Другими словами, параметры активной диэлектрической наноантенны подбираются таким образом, чтобы обеспечить спектральное и пространственное перекрытие между лазерным излучением накачки, спектром излучения (фотолюминесценции) точечного источника и внутренними электрическими или магнитными резонансами Ми наноантенны, что приводит к увеличению фактора Парселла такой системы, и, следовательно, усилению излучения точечного источника.The condition for choosing the refractive index of the dielectric material is justified by the need for excitation in the resonator of the Mie resonance in the visible wavelength range while maintaining the subwavelength of the nanoantenna. The high refractive index of such dielectric nanoantennas also allows controlling radiation not only due to the electric, but also to the magnetic component with low dissipative losses. In other words, the parameters of the active dielectric nanoantenna are selected in such a way as to provide spectral and spatial overlap between the pump laser radiation, the emission spectrum (photoluminescence) of the point source and the internal electric or magnetic resonances of the Mioantenna, which leads to an increase in the Purcell factor of such a system, and therefore , amplification of radiation of a point source.

Сущность полезной модели поясняется на фиг., где показана геометрическая структура активной диэлектрической наноантенны. Активная диэлектрическая наноантенна включает в себя резонатор 1 из диэлектрического материала, выполненный в виде шара радиусом R₁, где 100 нм<R₁<5000 нм, и точечный (квантовый) источник 2, расположенный внутри резонатора. Для удобства восприятия геометрии из резонатора и внешнего слоя вырезан прямоугольный сектор.The essence of the utility model is illustrated in Fig., Which shows the geometric structure of the active dielectric nanoantenna. The active dielectric nanoantenna includes a resonator 1 made of a dielectric material made in the form of a ball of radius R ₁ , where 100 nm <R ₁ <5000 nm, and a point (quantum) source 2 located inside the resonator. For the convenience of perceiving geometry, a rectangular sector is cut from the resonator and the outer layer.

Активная диэлектрическая наноантенна работает следующим образом. Падающий на наноантенну лазерный импульс одновременно осуществляет оптическую накачку точечного источника 2, расположенного внутри наноантенны, и возбуждение в резонаторе 1 электрических и магнитных дипольных моментов (мод Ми). В свою очередь, МД и ЭД усиливают ЭМ поле внутри резонатора 1, тем самым усиливая излучение точечного источника 2.Active dielectric nanoantenna works as follows. A laser pulse incident on the nanoantenna simultaneously carries out optical pumping of a point source 2 located inside the nanoantenna and excites electric and magnetic dipole moments (Mie mode) in the cavity 1. In turn, MD and ED amplify the EM field inside the resonator 1, thereby amplifying the radiation of a point source 2.

В качестве примера конкретной реализации предлагается наноантенна, состоящая из оптически резонансного наноалмаза радиусом 150 нм со встроенным точечным излучателем, в качестве которого выступают оптически активные центры (центры окраски) азот-вакансия. (NV-центры). Данные параметры подобраны для наиболее эффективной накачки точечного излучателя лазерным излучением на длинах волн в диапазоне 750-1500 нм. Усиление электрического поля и положения резонансов были рассчитаны в профессиональном программном пакете для электродинамических численных вычислений CST Microwave Studio 2015.As an example of a specific implementation, a nanoantenna is proposed, consisting of an optically resonant nanodiamond with a radius of 150 nm with an integrated point emitter, which are optically active centers (color centers) of a nitrogen vacancy. (NV centers). These parameters are selected for the most efficient pumping of a point emitter by laser radiation at wavelengths in the range of 750-1500 nm. The amplification of the electric field and the position of the resonances were calculated in the professional software package for electrodynamic numerical calculations CST Microwave Studio 2015.

Таким образом, заявляемая полезная модель решает задачу усиления излучения (повышение фактора Парселла) точечного излучателя.Thus, the claimed utility model solves the problem of amplifying radiation (increasing the Purcell factor) of a point emitter.

Claims

An active optical nanoantenna that amplifies the radiation of a point emitter and consists of a resonant nanoobject, characterized in that the resonator is made in the form of a ball of radius R ₁ , where 100 nm <R ₁ <500 nm, and is made of a material with a high refractive index n> 2.4 , and the value of R ₁ lies in the range of 100 nm <R ₁ <500 nm, and the fact that the built-in point emitter is located arbitrarily inside the resonator.