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环形偶极子（TD）是一种区别于电偶极子（TD）和磁偶极子（MD）的电磁波基本激发源，其影响材料的一些基本特性如吸收、色散等光学响应。TD震荡形成的共振模式可以明显减少材料的辐射损耗，能够获得具高品质因子（Q值）共振腔，这种TD共振腔模式的激发能够极大地促进光和物质的相互作用，实现如低阈值半导体激光器、高灵敏度传感器、光开关和光调制器等光学器件。根据电磁分布特性，TD可分为电环形偶极子（ETD）和磁环形偶极子（MTD）两类。ETD为沿着子午面流动的径向电流，其可等效为赤道环面上首尾相接的磁偶极子；类似地，MTD可等效为赤道环面上首尾相接的电偶极子。自然界中材料对TD的响应通常较弱，因此很难被发现和利用。近年来，人工超构表面（或超构材料）的出现为TD的激发提供了新的平台。目前，对ETD的研究较为广泛，而对高Q值MTD的激发及其应用探究较少。
针对这一问题，贵州民族大学周朝彪团队与合作者利用全介质超构表面中能带折叠的导模共振，成功地构建了高Q值 MTD共振。设计的超构表面由硅纳米棒二聚体阵列组成，它支持能带折叠的超高Q值导模共振，该模式展现出一定的不辐射特性。当改变纳米棒的空间距离时，模式的Q值迅速减小，退变成一个高Q值的MTD共振模式，且该模式的Q在动量空间具有较大的鲁棒性。共振模式在器件的水平面形成了一系列反向分布的磁矢量，它们激发了垂直方向上反向的电偶极子，结合入射光场，最后激发了水平面的MTD模式。由于电偶极子在器件中的震荡，因此该模式能够非常好地局域电场在器件的内部，有利于增强光与物质的相互作用。最后，通过制造一系列硅超表面并测量它们的透射光谱来验证该MTD模式。实验测量和模拟结果吻合良好，实验中获得了MTD模式的Q值为5079。这种具有高Q值和稳定共振波长的MTD谐振器有助于实现低阈值激光器和高品质非线性光源等。
图1 MTD导模共振形成的物理机制。
图2 高Q值MTD导模共振的激发与证实。
图3 高Q值MTD共振模式的实验证实。
团队介绍
贵州民族大学周朝彪团队长期从事超高Q值共振介质超构表面物理及其应用研究，并取得一系列创新性成果。近年来在Nature Communications, Applied Physics Reviews, Nano Letters, Laser & Photonics Reviews, Advanced Functional Materials, ACS Photonics, Science China: Physics Mechanics & Astronomy, APL Photonics, Nanophotonics, Journal of Lightwave Technology, Physical Review A/B/Applied, Applied Physics Letters, New Journal of Physics, Optics Letters, Optics Express等期刊发表研究论文40余篇，包括封面论文2篇、“Editor’s Pick”论文5篇、先后入选ESI高被引论文6篇，Google Scholar论文总被引2800余次，单篇最高引用350余次。
文章信息
High-Q magnetic toroidal dipole resonance in all-dielectric metasurfaces
Ying Zhang; Lulu Wang; Haoxuan He; Hong Duan; Jing Huang; Chenggui Gao; Shaojun You; Lujun Huang; Andrey E. Miroshnichenko; Chaobiao Zhou
APL Photonics 9, 076106 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0208936
