감지 응용을 위한 나노광자 공진기 지원 광자 스핀 홀 향상

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9292(2023) 이 기사 인용

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이 원고는 광자 스핀 홀 효과(PSHE)를 향상시키기 위해 분산 특성이 변경된 유전체 공진기 구조를 제시합니다. 구조적 매개변수는 632.8nm 작동 파장에서 PSHE를 향상시키도록 최적화되었습니다. 구조를 최적화하고 예외적인 점을 얻기 위해 두께에 따른 각도 분산 분석이 수행됩니다. PSHE에 의해 유도된 스핀 분할은 결함층의 광학적 두께에 대해 높은 민감도를 나타냅니다. 이는 61.68°의 입사각에서 작동 파장의 약 56.66배에 달하는 최대 PSHE 기반 가로 변위(PSHE-TD)를 제공합니다. 또한 PSHE 기반 굴절률 센서로서의 구조 성능도 평가됩니다. 분석 결과는 약 33,720μm/RIU의 평균 감도를 보여줍니다. 이 구조는 손실 모드 공진 구조에서 최근 보고된 값보다 PSHE-TD가 약 5배 더 높고 감도가 약 150% 향상되었습니다. 순수 유전 물질 기반 PhC 공진기 구성과 상당히 높은 PSHE-TD로 인해 상업용 애플리케이션을 위한 저가형 PSHE 기반 장치의 개발이 예상됩니다.

SOI(스핀-궤도 상호작용)는 응집물질 물리학, 스핀트로닉스, 포토닉스 등 다양한 과학 연구 분야에서 관찰되는 근본적인 현상입니다. 최근 몇 년 동안 상대론적 SOI 현상의 집합인 전자의 스핀 홀 효과(SHE)를 조사하는 데 많은 관심이 높아졌습니다1. 스핀 전류를 생성, 조작 및 감지하는 능력은 부울 논리, 메모리, 컴퓨팅 및 하드웨어 보안과 같은 응용 분야를 탄생시켰습니다. 마찬가지로 PSHE(광자 스핀 홀 효과)는 다양한 유망한 응용 분야를 보여주었습니다. 고유의 장점으로 인해 우수한 성능을 발휘할 것으로 예상됩니다. PSHE는 빔이 광학 인터페이스 또는 불균일한 매체5,6를 통과할 때 기하학적 광학 궤적에 대해 광자의 스핀 의존 가로 이동을 나타냅니다. Bliokhet al. 2004년에는 GBP(Geometric-Berry Phase) 개념을 사용하여 비균질 매체에서 광자의 위상적 스핀 기반 분할을 도입했습니다. Onodaet al. 같은 해에 GBP 및 광학 각운동량(OAM) 대화를 기반으로 PSHE의 존재를 제안했으며 2007년 PSHE를 계산하기 위한 포괄적인 이론적 접근 방식을 추가로 제안했습니다10. 따라서 PSHE의 기원은 빛의 SOI와 연관되어 있습니다. , OAM 및 기하학적 위상, 즉 Rytov-Vlasimirskii 위상 및 Pancharatnam-Berry 위상11. PSHE 효과로 인해 반사된 빔은 해당 편광 상태(RCP/LCP 또는 H/V 편광)로 분할됩니다.

PSHE의 첫 번째 실험 시연은 Hosten et al.에 의해 2008년에 수행되었습니다. 공기-유리 인터페이스에서12. 이에 따라 키랄 물질13, 금속박막14, 위상학적 물질15, 2차원 원자 결정16, 메타물질17 및 광결정(PhC)18 등에서 PSHE 연구가 수행되었습니다. 여기서 가장 중점을 두는 것은 PSHE를 향상시키는 것입니다. 브루스터 각도(Brewster angle), 표면 플라즈몬 공명(SPR), 광학 펌핑(Optical Pumping) 및 손실 모드 공명(LMR) 등과 같은 다양한 나노포토닉 기술을 고려하여 연구되었습니다. 이러한 기술은 PSHE14,24,25,26,27을 사용하여 고감도 굴절률 센서를 설계하는 데 활용되었습니다. 그러나 보고된 PSHE-TD는 대부분의 보고된 구조에서 매우 낮기 때문에 다양한 흥미로운 응용 분야에서 널리 사용되는 것이 제한됩니다. PSHE-TD는 광 제어 특성으로 인해 다층 광결정 기반 나노 장치를 고려하여 향상될 수도 있습니다. 이러한 장치는 생체의학 진단, 액체/가스 감지 및 환경 모니터링을 포함하여 지난 몇 년 동안 다양하고 흥미로운 응용 분야에서 수요가 크게 증가했습니다29,30. 이러한 나노구조는 빛-물질 상호작용을 조작하여 특정 편광을 억제하도록 최적화될 수 있습니다. 이 속성은 PSHE를 향상시켜 광범위한 과학 분야의 여러 흥미로운 응용 분야에서 그 기능을 보여줍니다. 그러나 우리가 아는 한, PSHE 향상을 사용하여 굴절률 감지를 위한 유전 물질 기반 PhC 공진기 구성에 관한 연구는 아직 문헌에 보고되지 않았습니다.

99%). The defect layer ‘D’ is considered as \(\text {SiO}_{\text {2}}\) (similar to ‘A’ for simplicity). The materials A(\(n_{L}\)) and B(\(n_{H}\)) possess refractive indices of 1.46 and 2.2, which are calculated using the Sellmeier equation. The ‘A and B’ material's inherent loss is accounted for by taking the imaginary dielectric constant as 0.0001 and 0.0007, respectively. The physical thickness of the materials is calculated considering the Quarter wavelength Bragg stack configuration. Thus the thickness of A(\(D_{l}\)) and B(\(D_{h}\)) were selected as 128 nm and 85 nm, respectively. Initially, the defect layer thickness (\(D_{d}\)) is considered equivalent to layer ‘A’./p>