Оптические свойства кремниевой метамембраны с максимальной хиральностью для терагерцового диапазона

Аннотация

В работе теоретически исследуется кремниевая метамембрана с максимальной хиральностью в ТГц диапазоне на основе простейшей хиральной геометрии элементарной ячейки, а именно моноклинной ячейки с цилиндрическим отверстием. Рассматриваются свойства как 2D-хиральной, так и 3D-хиральной системы, геометрические параметры которых оптимизированы с помощью генетического алгоритма для достижения максимального циркулярного дихроизма пропускания и отражения на длину волны 600 мкм. С помощью дисперсий собственных резонансных мод структур объясняется резонансное поведение циркулярного дихроизма пропускания и отражения. Рассмотрено влияние на резонансный отклик отклонений геометрии и геометрических параметров от оптимизированной структуры. По расчетным оптимальным параметрам в ИФТТ РАН (лаборатория И.В. Кукушкина) были успешно изготовлены несколько метаповерхностей, демонстрирующих теоретически предсказанный дихроизм пропускания.

Полученные результаты

1. Теоретически исследованы кремниевые метамембраны с моноклинной решеткой цилиндрических воздушных отверстий, как свободно подвешенной, так и на стеклянной подложке. Геометрические параметры структур оптимизированы для резонансного достижения максимального циркулярного дихроизма пропускания и отражения.
2. Рассчитаны дисперсии собственных мод вдоль высокосимметричных направлений первой зоны Бриллюэна и распределения собственных полей в Г-точке, моды расклассифицированы по неприводимым представлениям групп симметрии структур. Также рассчитаны теоретические дисперсионные кривые оптических коэффициентов T_LR и R_LL вдоль высокосимметричных направлений первой зоны Бриллюэна. Их особенности объяснены с помощью рассчитанных дисперсий собственных мод.
3. Рассмотрено влияние отклонений реальной структуры от идеальной, проявляющиеся в сужении радиуса отверстия по вертикали. Получено, что даже при отклонении в 5% от оптимального радиуса снизу, структура демонстрирует циркулярный дихроизм, превышающий 85%.
4. Рассмотрено влияние отклонений геометрических параметров от оптимизированных значений. Для каждого параметра в случае отклонения на ±(5–10)% по отдельности продемонстрировано сохранение хирального отклика, превышающего 90%.
5. Оптимизированные параметры 2D кремниевой метамембраны были переданы в ИФТТ РАН (лаборатория И. В. Кукушкина). Изготовленные там метамембраны продемонстрировали ожидаемый резонансный максимальный дихроизм пропускания, в качественном и количественном согласии с нашими расчетами.