Engineering BICs with non-Bravais lattices

Our work, in collaboration with TU/e & CSIC is on arXiv now. / 我々のTU/e（オランダ）とCSIC（スペイン）との共同研究成果をarXivにUPしました。 Siナノ粒子の非ブラベ格子を使って、連続スペクトル中の束縛（BIC）モードを制御した報告です。これまでも非ブラベ格子を使ったBICの研究は金属や誘電体を使って行われてきましたが、報告は断片的/個別的な理解にとどまるものでした。我々は今回、これまでの研究を包括する、全体的な理解を可能とする実験と理論を報告しました。Various optical phenomena can be induced in periodic arrays of nanoparticles by the radiative coupling of the local dipoles in each particle. Probably the most impressive example is bound states in the continuum (BICs), which are electromagnetic modes with a dispersion inside the light cone but infinite lifetime, i.e., modes that cannot leak to the continuum. Symmetry-protected BICs appear at highly symmetric points in the dispersion of periodic systems. Although the addition of nonequivalent lattice points in a unit cell is an easy and straightforward way of tuning the symmetry, BICs in such particle lattice, i.e., non-Bravais lattice, are less explored among periodic systems. Starting from a periodic square lattice of Si nanodisks, we have prepared three non-Bravais lattices by detuning size and position of the second disk in the unit cell. Diffraction-induced coupling excites magnetic/electric dipoles in each nanodisk, producing two surface lattice resonances at the Γ point with a band gap in between. The high/low energy branch becomes a BIC for the size/position-detuned array, respectively, while both branches are bright (or leaky) when both size and position are detuned simultaneously. The role of magnetic and electric resonances in dielectric nanoparticles and the change of BIC to bright character of the modes is explained by the two different origins of BICs in the detuned arrays, which is further discussed with the aid of a coupled electric and magnetic dipole model. This study gives a simple way of tuning BICs at telecom wavelengths in non-Bravais lattices, including both plasmonic and dielectric systems, thus scalable to a wide range of frequencies. / 各粒子の局在双極子モーメントの放射結合により、ナノ粒子の周期的な配列にさまざまな光学現象を引き起こすことができます。おそらく最も印象的な例は、連続スペクトル中の束縛モード（Bound States in the Continuum, BIC）です。これは、放射光の分散関係内の電磁モードですが、寿命は無限です。つまり、外部に漏れないモードです。対称性で保護されたBICは、周期系の分散の対称性の高い点に現れます。ユニットセルに非等価な格子点を追加することは、対称性を調整する簡単で簡単な方法ですが、そのような粒子格子、つまり非ブラベ格子のBICは、周期的なシステム間ではあまり検討されていません。 Siナノディスクの周期的な正方格子から始めて、ユニットセル内の2番目のディスクのサイズと位置を離調することにより、3つの非ブラベ格子を準備しました。回折によって誘発された結合は、各ナノディスクの磁気/電気双極子を励起し、間にバンドギャップがあるΓ点で2つの表面格子共鳴を生成します。高/低エネルギーブランチは、それぞれサイズ/位置がデチューンされたアレイのBICになりますが、サイズと位置の両方が同時にデチューンされると、両方のブランチが明るいモードとなり、BICは消えます。誘電体ナノ粒子における磁気および電気共鳴の役割と、モードの明るい特性の変化は、デチューンされたアレイにおけるBICの2つの異なる起源によって説明されます。これは、結合電気磁気双極子（CEMD）モデルの助けを借りてさらに説明されます。 この研究は、プラズモニックシステムと誘電体システムの両方を含む、非ブラベ格子の光通信波長でBICを調整する簡単な方法を提供します。これにより、広範囲の周波数に拡張できます。

Engineering bound states in the continuum at telecom wavelengths with non-Bravais lattices, Shunsuke Murai, Diego R. Abujetas, Libei Liu, Gabriel W. Castellanos, Vincenzo Giannini, José A. Sánchez-Gil, Katsuhisa Tanaka, Jaime Gómez Rivas, https://arxiv.org/abs/2204.09986

本研究の一部は科研費(17KK0133, 19H02434)の支援を受けました。記してここに感謝します