Miglioramento della sala di spin fotonico assistito da risonatore nanofotonico per applicazioni di rilevamento

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9292 (2023) Citare questo articolo

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Questo manoscritto presenta una struttura di risonatore dielettrico con caratteristiche di dispersione alterate per migliorare l'effetto Hall di spin fotonico (PSHE). I parametri strutturali sono ottimizzati per migliorare il PSHE alla lunghezza d'onda operativa di 632,8 nm. L'analisi della dispersione angolare in funzione dello spessore viene effettuata per ottimizzare la struttura e ottenere i punti eccezionali. Lo spin splitting indotto da PSHE mostra un'elevata sensibilità allo spessore ottico dello strato difettoso. Ciò fornisce uno spostamento trasversale massimo basato su PSHE (PSHE-TD) di circa 56,66 volte la lunghezza d'onda operativa con un angolo di incidenza di 61,68°. Inoltre, viene valutata anche la capacità della struttura come sensore dell'indice di rifrazione basato su PSHE. I risultati analitici dimostrano una sensibilità media di circa 33.720 μm/RIU. La struttura mostra un PSHE-TD circa cinque volte superiore e un miglioramento della sensibilità di circa il 150% rispetto ai valori recentemente riportati nelle strutture di risonanza in modalità con perdita. A causa delle configurazioni del risonatore PhC assistito da materiale puramente dielettrico e del PSHE-TD significativamente più elevato, è previsto lo sviluppo di dispositivi basati su PSHE a basso costo per applicazioni commerciali.

L'interazione spin-orbita (SOI) è un evento fondamentale osservato in varie aree di ricerca scientifica come la fisica della materia condensata, la spintronica e la fotonica. Negli ultimi anni è cresciuto molto l’interesse nello studio dell’effetto Spin Hall (SHE) negli elettroni, che è un insieme di fenomeni SOI relativistici1. La capacità di generare, manipolare e rilevare correnti di spin ha dato origine ad applicazioni come la logica booleana, le memorie, l'informatica e la sicurezza hardware2,3,4 ecc. Allo stesso modo, l'effetto Hall di spin fotonico (PSHE) ha mostrato varie applicazioni promettenti e si prevede che mostrerà prestazioni superiori grazie al suo vantaggio intrinseco. Il PSHE si riferisce allo spostamento trasversale dei fotoni dipendente dallo spin rispetto alla traiettoria ottica geometrica quando il fascio passa attraverso un'interfaccia ottica o un mezzo disomogeneo5,6. Bliokh et al. nel 2004 ha introdotto la suddivisione topologica dei fotoni basata sullo spin in un mezzo disomogeneo utilizzando il concetto di fase geometrica-Berry (GBP)7,8. Onoda et al. nello stesso anno, ha proposto la presenza di PSHE basato sulla conversazione GBP e momento angolare ottico (OAM)9 e ha inoltre proposto un approccio teorico completo per il calcolo del PSHE nell'anno 200710. Pertanto, l'origine del PSHE è associata al SOI della luce , OAM e fasi geometriche, ovvero la fase Rytov-Vlasimirskii e la fase Pancharatnam-Berry11. A causa dell'effetto PSHE, il raggio riflesso si divide nei corrispondenti stati di polarizzazione (polarizzazione RCP/LCP o H/V).

La prima dimostrazione sperimentale del PSHE è stata condotta nel 2008 da Hosten et al. su un'interfaccia aria-vetro12. Successivamente, l'indagine PSHE è stata condotta su materiali chirali13, film sottili metallici14, materiali topologici15, cristalli atomici bidimensionali16, metamateriali17 e cristalli fotonici (PhC)18, ecc. Qui, l'enfasi principale è quella di migliorare il PSHE, che è stato studiato considerando varie tecniche nanofotoniche come l'angolo di Brewster19, la risonanza plasmonica superficiale (SPR)20,21,22, il pompaggio ottico23 e la risonanza in modalità con perdita (LMR)24, ecc. Queste tecniche sono state utilizzate nella progettazione di sensori di indice di rifrazione altamente sensibili utilizzando PSHE14,24,25,26,27. Tuttavia, il PSHE-TD riportato è molto basso nella maggior parte delle strutture segnalate, limitandone l'uso diffuso in varie applicazioni interessanti. Il PSHE-TD può anche essere migliorato considerando nanodispositivi basati su cristalli fotonici multistrato a causa delle loro proprietà di controllo della luce28. Negli ultimi anni questi dispositivi hanno assistito a una crescita considerevole della domanda in varie interessanti applicazioni, tra cui la diagnostica biomedica, il rilevamento di liquidi/gas e il monitoraggio ambientale29,30. Queste nanostrutture possono essere ottimizzate per manipolare le interazioni luce-materia, sopprimendo una particolare polarizzazione. Questa proprietà migliora il PSHE e mostra quindi le sue capacità in diverse applicazioni interessanti in un'ampia gamma di aree scientifiche31. Tuttavia, per quanto ne sappiamo, il lavoro deve ancora essere riportato in letteratura sulle sole configurazioni di risonatore PhC assistite da materiale dielettrico per il rilevamento dell'indice di rifrazione utilizzando il miglioramento PSHE.