Optical nanoresonators

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The review presents an analysis and generalization of classical and most modern approaches to the description and development of the principles of operation of open optical nanoresonators, that is, resonators, all sizes of which are smaller than the resonant wavelength of radiation in vacuum. Particular attention is paid to the physics of such phenomena as bound states in a continuum, anapole states, supercavity modes, and perfect nonradiating modes with extremely high quality factors and localizations of electromagnetic fields. An analysis of the optical properties of natural oscillations in nanoresonators made of metamaterials is also presented in the review. The effects considered in this review, besides being of fundamental import, can also find applications in the development of optical nanoantennas, nanolasers, biosensors, photovoltaic devices, and nonlinear nanophotonics.

About the authors

Vasilii Vasil'evich Климов

P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: klimov256@gmail.com
ResearcherId: N-4985-2015
Doctor of physico-mathematical sciences, Main Scientist Researcher

References

  1. Климов В. В., Наноплазмоника, 2-е испр. изд., Физматлит, М., 2010
  2. Noginov M. A. et al., Nature, 460 (2009), 1110
  3. Ge D. et al., Nat. Commun., 11 (2020), 3414
  4. Kwon S.-H. et al., Nano Lett., 10 (2010), 3679
  5. Celebrano M. et al., Nat. Nanotechnol., 10 (2015), 412
  6. Biagioni P., Huang J.-S., Hecht B., Rep. Prog. Phys., 75 (2012), 024402
  7. Yang Z.-J. et al., Phys. Rep., 701 (2017), 1
  8. Paniagua-Dominguez R. et al., J. Appl. Phys., 126 (2019), 150401
  9. Краснок А. Е. и др., Письма в ЖЭТФ, 94 (2011), 635
  10. Krasnok A. E. et al., Opt. Express, 20 (2012), 20599
  11. Краснок А. Е. и др., УФН, 183 (2013), 561
  12. Rocco D. et al., J. Opt. Soc. Am. B, 34 (2017), 1918
  13. Sinev I. et al., ACS Photon., 7 (2020), 680
  14. Luk'yanchuk B. S. et al., ACS Photon., 2 (2015), 993
  15. Manna U. et al., J. Appl. Phys., 127 (2020), 033101
  16. Baranov D. G. et al., Optica, 4 (2017), 814
  17. Kivshar Yu., Natl. Sci. Rev., 5 (2018), 144
  18. Koshelev K. et al., Nanophotonics, 8 (2019), 725
  19. Yang Y., Bozhevolnyi S. I., Nanotechnology, 30 (2019), 204001
  20. Physicists Trap Light in Nanoresonators for Record Time, ITMO News, 17.01.2020
  21. Koshelev K. et al., Science, 367 (2020), 288
  22. Tiguntseva E. et al., ACS Nano, 14 (2020), 8149
  23. Zenin V. A. et al., ACS Photon., 7 (2020), 1067
  24. Melik-Gaykazyan E. et al., Nano Lett., 21 (2021), 1765
  25. Mylnikov V. et al., ACS Nano, 14 (2020), 7338
  26. Hwang M.-S. et al., Nanophotonics, 10 (2021), 3599
  27. Sadrieva Z. et al., Phys. Rev. B, 100 (2019), 115303
  28. Bogdanov A. A. et al., Adv. Photon., 1 (2019), 016001
  29. Carletti L. et al., Phys. Rev. Res., 1 (2019), 023016
  30. Carletti L. et al., Phys. Rev. Lett., 121 (2018), 33903
  31. Parker J. A. et al., Phys. Rev. Lett., 124 (2020), 097402
  32. Luk'yanchuk B. et al., Phys. Rev. A, 95 (2017), 063820
  33. Miroshnichenko A. E. et al., Nat. Commun., 6 (2015), 8069
  34. Luk'yanchuk B. et al., Philos. Trans. R. Soc. A, 375 (2017), 20160069
  35. Baryshnikova K. V. et al., Adv. Opt. Mater., 7 (2019), 1801350
  36. Wei L. et al., Optica, 3 (2016), 799
  37. Rybin M. V. et al., Phys. Rev. Lett., 119 (2017), 243901
  38. Odit M. et al., Adv. Mater., 33 (2021), 2003804
  39. Klimov V., Opt. Lett., 45 (2020), 4300
  40. Klimov V., Photonics, 9 (2022), 1005
  41. Klimov V. V., Guzatov D. V., Photonics, 10 (2023), 248
  42. Schwefel H. G. L. et al., Optical Microcavities, Advanced Series in Applied Physics, 5, Ed. K. Vahala, World Scientific, Singapore, 2004, 415
  43. Jackson J. D., Classical Electrodynamics, Wiley, New York, 1975
  44. Courant R., Hilbert D., Methoden der mathematischen Physik, Springer, Berlin, 1924
  45. de Broglie L., Problèmes de propagations guidees des ondes electromagnetiques, Gauthier-Villars, Paris, 1941
  46. Вайнштейн Л. А., Открытые резонаторы и открытые волноводы, Советское радио, М., 1966
  47. Richtmyer R. D., J. Appl. Phys., 10 (1939), 391
  48. Affolter P., Eliasson B., IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 21 (1973), 573
  49. Christopoulos T. et al., Opt. Express, 27 (2019), 14505
  50. Wu T., Gurioli M., Lalanne P., ACS Photon., 8 (2021), 1522
  51. Bohren C. F., Huffman D. R., Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley, New York, 1983
  52. Kristensen P. T., Van Vlack C., Hughes S., AIP Conf. Proc., 1398 (2011), 100
  53. Kristensen P. T., Hughes S., ACS Photon., 1 (2014), 2
  54. Sauvan C. et al., Phys. Rev. Lett., 110 (2013), 237401
  55. Lalanne P. et al., Laser Photon. Rev., 12 (2018), 1700113
  56. Muljarov E. A., Langbein W., Phys. Rev. B, 94 (2016), 235438
  57. Coccioli R. et al., IEE Proc. Optoelectron., 145 (1998), 391
  58. Doost M. B., Langbein W., Muljarov E. A., Phys. Rev. A, 87 (2013), 043827
  59. Sauvan C., Opt. Express, 29 (2021), 8268
  60. Дмитриев В. И., Захаров Е. В., Метод интегральных уравнений в вычислительной электродинамике, МАКС Пресс, М., 2008
  61. Bulygin V. S. et al., IET Microwaves Antennas Propag., 9 (2015), 1186
  62. Sukharevsky I. O. et al., Opt. Eng., 58:1 (2019), 016115
  63. Давидович М. В., Изв. Саратовского ун-та. Новая серия. Сер. Физика, 8:1 (2008), 3
  64. Войтович Н. Н., Каценеленбаум Б. З., Сивов А. Н., УФН, 118 (1976), 709
  65. Войтович H. H., Каценеленбаум Б. З., Сивов А. Н., Обобщенный метод собственных колебаний в теории дифракции, Наука, М., 1977
  66. Климов В. В., Дюклуа М., Летохов В. С., Квантовая электроника, 31 (2001), 569
  67. von Neumann J., Wigner E. P., Phys. Z., 30 (1929), 465
  68. ельдович Я. Б., ЖЭТФ, 33 (1957), 1531
  69. Gladyshev S., Frizyuk K., Bogdanov A., Phys. Rev. B, 102 (2020), 075103
  70. Wu T. et al., Phys. Rev. A, 101 (2020), 011803
  71. Lord Rayleigh F. R. S., Philos. Mag. 5, 44 (1897), 28
  72. Stevenson A. F., J. Appl. Phys., 24 (1953), 1134
  73. Stevenson A. F., J. Appl. Phys., 24 (1953), 1143
  74. van Bladel J., IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 23 (1975), 199
  75. Mongia R. K., Bhartia P., Int. J. Microwave Millimeter-Wave Comput.-Aided Eng., 4 (1994), 230
  76. Brillouin L., J. Phys. Radium, 3 (1932), 373
  77. Muljarov E. A., Langbein W., Zimmermann R., Europhys. Lett., 92 (2010), 50010
  78. COMSOL
  79. Electromagnetic Systems Modeling. CST Studio Suite. Dassault Systèmes
  80. Bai Q. et al., Opt. Express, 21 (2013), 27371
  81. Yan W., Faggiani R., Lalanne P., Phys. Rev. B, 97 (2018), 205422
  82. Mie G., по новой нумерации Vol. 330, Ann. Physik, 25 (1908), 377
  83. Luk'yanchuk B. S. et al., J. Opt. A, 9 (2007), S294
  84. Tribelsky M. I., Luk'yanchuk B. S., Phys. Rev. Lett., 97 (2006), 263902
  85. Трибельский М. И., Мирошниченко А. Е., УФН, 192 (2022), 45
  86. Bashevoy M. V., Fedotov V. A., Zheludev N. I., Opt. Express, 13 (2005), 8372
  87. Noh H. et al., Phys. Rev. Lett., 108 (2012), 186805
  88. Proskurin A., Bogdanov A., Baranov D., Laser Photon. Rev., 15 (2021), 2000430
  89. Smythe W. R., Static and Dynamic Electricity, 3rd ed., McGraw-Hill, New York, 1968
  90. Guzatov D. V., Klimov V. V., Pikhota M., Laser Phys., 20 (2010), 85
  91. Guzatov D. V., Klimov V. V., Chem. Phys. Lett., 412 (2005), 341
  92. Hobson E. W., The Theory of Spherical and Ellipsoidal Harmonics, The Univ. Press, Cambridge, 1931
  93. Faggiani R. et al., ACS Photon., 4 (2017), 897
  94. Märsell E. et al., Nano Lett., 15 (2015), 6601
  95. Klimov V. V., Guzatov D. V., Phys. Rev. B, 75 (2007), 024303
  96. Климов В. В., УФН, 178 (2008), 875
  97. Klimov V. V., Guzatov D. V., Appl. Phys. A, 89 (2007), 305
  98. Nordlander P. et al., Nano Lett., 4 (2004), 899
  99. Prodan E., Nordlander P., J. Chem. Phys., 120 (2004), 5444
  100. Guzatov D. V., Klimov V. V., New J. Phys., 13 (2011), 053034
  101. Watson J. D. et al., Molecular Biology of the Gene, 7th ed., Pearson, Boston, 2014
  102. Pal S. et al., Angew. Chem., 122 (2010), 2760
  103. Zheng J. et al., Nano Lett., 6 (2006), 1502
  104. Kuzyk A. et al., Nature, 483 (2012), 311
  105. Mastroianni A. J., Claridge S. A., Alivisatos A. P., J. Am. Chem. Soc., 131 (2009), 8455
  106. Klein W. P. et al., Nano Lett., 13 (2013), 3850
  107. Ding B. et al., J. Am. Chem. Soc., 132 (2010), 3248
  108. Roller E.-M. et al., Nano Lett., 15 (2015), 1368
  109. Roller E.-M. et al., Nat. Phys., 13 (2017), 761
  110. Климов В. В., Шаронов Г. В., Квантовая электроника, 50 (2020), 237
  111. Many V. et al., Nanophotonics, 8 (2019), 549
  112. Ильченко М. Е. и др., Диэлектрические резонаторы, Под ред. М. Е. Ильченко, Радио и связь, М., 1989
  113. Luk K. M., Leung K. W. (Eds.), Dielectric Resonator Antennas, Antennas Series, 1st ed., Research Studies Press Ltd, Baldock, 2002
  114. Vahala K., Nature, 424 (2003), 839
  115. Kuznetsov A. I. et al., Science, 354 (2016), aag2472
  116. Sager O., Tisi F., Proc. IEEE, 56 (1968), 1593
  117. Gastine M., Courtois L., Dormann J. L., IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 15 (1967), 694
  118. Martin R. J., Tatam R. P., J. Mod. Opt., 41 (1994), 1445
  119. Filonov D. S. et al., Appl. Phys. Lett., 100 (2012), 201113
  120. Kuznetsov A. I. et al., Sci. Rep., 2 (2012), 492
  121. Voshchinnikov N. V., Farafonov V. G., Astrophys. Space Sci., 204 (1993), 19
  122. Комаров И. В., Пономарев Л. И., Славянов С. Ю., Сфероидальные и кулоновские сфероидальные функции
  123. Lai H. M. et al., J. Opt. Soc. Am. B, 8 (1991), 1962
  124. Luk'yanchuk B. S. et al., ACS Photon., 2 (2015), 993
  125. Bulgakov E., Pichugin K., Sadreev A., Phys. Rev. A, 104 (2021), 053507
  126. Kishk A., Glisson A. W., Junker G. P., PIER, 33 (2001), 97
  127. Bulygin V. S. et al., “Axially symmetric modeling of dielectric pillbox resonators”, 2012 14th Intern. Conf. on Transparent Optical Networks, ICTON, IEEE, Piscataway, NJ, 2012
  128. Рыбин М. В., Лимонов М. Ф., УФН, 189 (2019), 881
  129. Krasikov S. et al., Phys. Rev. Appl., 15 (2021), 024052
  130. Ruan Z., Fan S., Phys. Rev. Lett., 105 (2010), 013901
  131. Qian C. et al., Phys. Rev. Lett., 122 (2019), 063901
  132. Qian C. et al., ACS Photon., 5 (2018), 1506
  133. Bulgakov E., Pichugin K., Sadreev A., Photonics, 8 (2021), 49
  134. Климов В. В., УФН, 189 (2019), 1131
  135. Lu Y. et al., Opto-Electron Adv., 5 (2022), 210014
  136. Веселаго В. Г., УФН, 92 (1967), 517
  137. Shelby R. A., Smith D. R., Schultz S., Science, 292 (2001), 77
  138. Shelby R. A. et al., Appl. Phys. Lett., 78 (2001), 489
  139. Ремнев М. А., Климов В. В., УФН, 188 (2018), 169
  140. Веселаго В. Г., УФН, 181 (2011), 1201
  141. Кильдишев А. В., Шалаев В. М., УФН, 181 (2011), 59
  142. Klimov V. V., Opt. Commun., 211 (2002), 183
  143. Климов В. В., УФН, 191 (2021), 1044
  144. Klimov V.
  145. Бокуть Б. В., Сердюков А. Н., Федоров Ф. И., Кристаллография, 15 (1970), 1002
  146. Lindell I. V. et al., Electromagnetic Waves in Chiral and Bi-isotropic Media, Artech House, Boston, 1994
  147. Pendry J. B., Science, 306 (2004), 1353
  148. Zhang S. et al., Phys. Rev. Lett., 102 (2009), 023901
  149. Dong J. et al., Opt. Express., 17 (2009), 14172
  150. Chiral metamaterials, US 8271241, B2, September 18, 2012
  151. Chiral metamaterials, US 8,271.241 B2. Google Patents
  152. Wongkasem N., Akyurtlu A., Marx K., PIER, 63 (2006), 295
  153. Klimov V. V., Guzatov D. V., Ducloy M., Europhys. Lett., 97 (2012), 47004
  154. Климов В. В., Гузатов Д. В., УФН, 182 (2012), 1130
  155. Bohren C. F., Chem. Phys. Lett., 29 (1974), 458
  156. Guzatov D. V., Klimov V. V., New J. Phys., 14 (2012), 123009
  157. Klimov V. V. et al., Opt. Express, 22 (2014), 18564
  158. Klimov V., Guzatov D., Singular and Chiral Nanoplasmonics, N. Zheludev, S. Boriskina, Pan Stanford Publ., Singapore, 2014, 121
  159. Guzatov D. V., Klimov V. V., Квантовая электроника, 45 (2015), 250
  160. Guzatov D. V. et al., Opt. Express, 25 (2017), 6036
  161. Wu C. et al., Phys. Rev. X, 4 (2014), 021015
  162. Давидович М. В., УФН, 189 (2019), 1249
  163. Roth J., Dignam M. J., J. Opt. Soc. Am., 63 (1973), 308
  164. Totero Gongora J. S. et al., Nat. Commun., 8 (2017), 15535
  165. Wan M. et al., Appl. Phys. Lett., 110 (2017), 031103
  166. Schwartz J. J., Stavrakis S., Quake S. R., Nat. Nanotechnol., 5 (2010), 127
  167. Staude I. et al., ACS Photon., 2 (2015), 172
  168. Krasnok A. E. et al., Laser Photon. Rev., 9 (2015), 385
  169. Ee H.-S. et al., Nano Lett., 15 (2015), 1759
  170. Singh M. et al., Nanoscale, 7 (2015), 1424
  171. Caldarola M. et al., Nat. Commun., 6 (2015), 7915
  172. Szenes A. et al., Sci. Rep., 7 (2017), 13845
  173. Elshaari A. W. et al., Nat. Photon., 14 (2020), 285
  174. Brongersma M. L., Cui Y., Fan S., Nat. Mater., 13 (2014), 451
  175. Kim S. J. et al., Nat. Commun., 6 (2015), 7591
  176. Sousa-Castillo A. et al., Nano Energy, 37 (2017), 118
  177. Lee K.-T. et al., Sci. Rep., 7 (2017), 10640
  178. Vismara R. et al., Opt. Express, 27 (2019), A967
  179. Garcia-Guirado J. et al., Nano Lett., 20 (2020), 585
  180. Yavas O. et al., Nano Lett., 17 (2017), 4421
  181. Bontempi N. et al., Nanoscale, 9 (2017), 4972
  182. Yang Y. et al., Nat. Commun., 16 (2014), 5753
  183. Tittl A. et al., Science, 360 (2018), 1105
  184. Rodionov S. A., Remnev M. A., Klimov V. V., Sens. Bio-Sens. Res., 22 (2019), 100263
  185. Klimov V. V. et al., J. Phys. D, 50 (2017), 285101
  186. Mariani S. et al., Opt. Lett., 39 (2014), 3062
  187. Kuo P. S., Bravo-Abad J., Solomon G. S., Nat. Commun., 5 (2014), 3109
  188. Gigli C. et al., Front. Phys., 7 (2019), 221
  189. Li G.-C. et al., Nat. Commun., 12 (2021), 4326
  190. Shcherbakov M. R. et al., Nano Lett., 14 (2014), 6488
  191. Grinblat G. et al., Nano Lett., 16 (2016), 4635
  192. Grinblat G. et al., ACS Nano, 11 (2017), 953
  193. Evlyukhin A. B. et al., Nano Lett., 12 (2012), 3749
  194. Staude I. et al., ACS Nano, 7 (2013), 7824
  195. Tonkaev P. et al., Appl. Phys. Lett., 118 (2021), 091104

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).