Exciton-Polaritons with Magnetic and Electric Character in All-dielectric Metasurfaces

Our work on strong coupling of dye molecules with Si nanoparticle array is published in ACS Photonics. This is a collaborative work with TU/e (the Netherlands)/ Si ナノ粒子周期アレイ上の色素分子の強結合を実現した論文がACS Photonicsに掲載されました。TU/e（オランダ）との共同研究です

Exciton–polaritons are hybrids of light and matter formed at the strong coupling regime that exhibit interesting phenomena such as enhanced transport, long-range energy transfer, and nonlinear response. These properties make exciton–polaritons very promising quasiparticles for the development of novel optoelectronic applications in the so-called polaritonic devices. However, strong coupling is significantly damped by the absorption losses of the system, which lead to short-lived exciton–polaritons. Here, we demonstrate strong coupling between excitons in organic molecules and all-dielectric metasurfaces formed by arrays of polycrystalline silicon nanoparticles supporting Mie surface lattice resonances (MSLRs). Compared to Mie resonances in individual nanoparticles, MSLRs have extended mode volumes and much larger quality factors, which enables to achieve collective strong coupling with very large coupling strengths and Rabi energies. Moreover, the presence of electric and magnetic Mie resonances in high refractive index dielectric nanoparticles introduces a new degree of freedom in light–matter interaction. We show the hybridization of excitons with electric and magnetic MSLRs, to form exciton–polaritons with an electric or magnetic character. Our results demonstrate the potential of all-dielectric metasurfaces as novel platform to investigate and manipulate exciton–polaritons in low-loss polaritonic devices./エキシトン-ポラリトンは、光と物質のハイブリッドであり、強い結合レジームで形成され、輸送の強化、長距離エネルギー移動、非線形応答などの興味深い現象を示します。これらの特性により、励起子-ポラリトンは、いわゆるポラリトンデバイスでの新しいオプトエレクトロニクスアプリケーションの開発に非常に有望な準粒子になります。ただし、強い結合はシステムの吸収損失によって大幅に減衰され、短寿命の励起子ポラリトンにつながります。ここでは、有機分子の励起子とMie表面格子共鳴（MSLR）をサポートする多結晶シリコンナノ粒子のアレイによって形成された全誘電体メタ表面間の強い結合を示します。個々のナノ粒子の三重共鳴と比較して、MSLRには拡張モードボリュームとはるかに大きな品質係数があり、非常に大きな結合強度とラビエネルギーで集団的強い結合を実現できます。さらに、高屈折率の誘電体ナノ粒子に電気的および磁気的Mie共鳴が存在することで、光と物質の相互作用に新たな自由度がもたらされます。電気的または磁気的性質を持つ励起子ポラリトンを形成するために、励起子と電気的および磁気的MSLRの混成を示します。私たちの結果は、低誘電率ポラリトンデバイスの励起子ポラリトンを調査および操作するための新しいプラットフォームとして、全誘電体メタサーフェスの可能性を示しています。

ACS Photonics 2020, 7, 5, 1226-1234, https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c00063