High-Quality Infrared Metalenses Based on Germanium Dimers

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Modern methods of nanophotonics allow creating miniature devices that change the direction of light propagation, modulate the phase front, and control the outcoming state of the polarization. One of the promising areas of research is the development of flat optics elements based on planar analogues of metamaterials—dielectric metasurfaces, which are two-dimensional arrays of subwavelength nanoparticles with a high refractive index and low absorption coefficient. However, the resonances of such nanoscatterers have usually a low quality factor. Symmetry breaking of particle can lead to the excitation of a high-Q quasi-bound states in the continuum. In this work, we numerically study infrared metasurfaces that support such resonances and are formed by dimers of germanium nanocuboids. The possibility of focusing radiation to a point and line by 300‑nm-thick spherical and cylindrical metalenses is shown.

About the authors

V. M Pustynnikova

Faculty of Physics, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: fedyanin@nanolab.phys.msu.ru

A. I Musorin

Faculty of Physics, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Email: fedyanin@nanolab.phys.msu.ru

A. A Fedyanin

Faculty of Physics, Moscow State University, 119991, Moscow, Russia

Author for correspondence.
Email: fedyanin@nanolab.phys.msu.ru

References

  1. N. Yu and F. Capasso, Nat. Mater. 13, 139 (2014).
  2. N. Yu, F. Aieta, P. Genevet, M.A. Kats, Z. Gaburro, and F. Capasso, Nano Lett. 12, 6328 (2012).
  3. T. Ellenbogen, K. Seo, and K.B. Crozier, Nano Lett. 12, 1026 (2012).
  4. A. Arbabi, Y. Horie, M. Bagheri, and A. Faraon, Nat. Nanotechnol. 10, 937 (2015).
  5. M. I. Shalaev, J. Sun, A. Tsukernik, A. Pandey, K. Nikolskiy, and N.M. Litchinitser, Nano Lett. 15, 6261 (2015).
  6. А.Д. Гартман, А.С. Устинов, А.С. Шорохов, А.А. Федянин, Письма в ЖЭТФ 114, 509 (2021).
  7. A. I. Kuznetsov, A.E. Miroshnichenko, M. L. Brongersma, Y. S. Kivshar, B. Luk'yanchuk, Science 354, aag2472 (2016).
  8. Y. Yang,W.Wang, P. Moitra, I. Kravchenko, D. Briggs, and J. Valentine, Nano Lett. 14, 1394 (2014).
  9. Z. Zheng, A. Komar, K. Z. Kamali, J. Noble, L. Whichello, A.E. Miroshnichenko, M. Rahmani, D.N. Neshev, and L. Xu, J. Appl. Phys. 130, 053105 (2021).
  10. Y. Intaravanne and X. Chen, Nanophotonics 9, 1003 (2020).
  11. M. Khorasaninejad and F. Capasso, Science 358, eaam8100 (2017).
  12. O. Avayu, E. Almeida, Y. Prior, and T. Ellenbogen, Nat. Commun. 8, 14992 (2017).
  13. A. Arbabi, E. Arbabi, S.M. Kamali, Y. Horie, S. Han, and A. Faraon, Nat. Commun. 7, 13682 (2016).
  14. R. Paniagua-Dominguez, Y. F. Yu, E. Khaidarov, S. Choi, V. Leong, R.M. Bakker, X. Liang, Y.H. Fu, V. Valuckas, L.A. Krivitsky, and A. I. Kuznetsov, Nano Lett. 18, 2124 (2018).
  15. L. Chen, Y. Hao, L. Zhao, R.Wu, Y. Liu, Z.Wei, N. Xu, Z. Li, and H. Liu, Opt. Express 29, 9332 (2021).
  16. F. Aieta, P. Genevet, M.A. Kats, N. Yu, R. Blanchard, Z. Gaburro, and F. Capasso, Nano Lett. 12, 4932 (2012).
  17. A. Komar, R. Paniagua-Dominguez, A. Miroshnichenko, Y.F. Yu, Y. S. Kivshar, A. I. Kuznetsov, and D. Neshev, ACS Photonics 5, 1742 (2018).
  18. M. Bosch, M.R. Shcherbakov, K. Won, H. Lee, Y. Kim, and G. Shvets, Nano Lett. 21, 3849 (2021).
  19. J. Wang, K. Li, H. He, W. Cai, J. Liu, Z. Yin, Q. Mu, V.K. S. Hisao, D. G'erard, D. Luo, G. Li, and Y. J. Liu, Laser Photonics Rev. 16, 2100396 (2022).
  20. A. I. Musorin, M.G. Barsukova, A. S. Shorokhov, B. S. Luk'yanchuk, and A.A. Fedyanin, J. Magn. Magn. Mater. 459, 165 (2018).
  21. A. I. Musorin, A.V. Chetvertukhin, T.V. Dolgova, H. Uchida, M. Inoue, B. S. Luk'yanchuk, and A.A. Fedyanin, Appl. Phys. Lett. 115, 151102 (2019).
  22. P.P. Iyer, M. Pendharkar, and J.A. Schuller, Adv. Opt. Mater. 4, 1582 (2016).
  23. G.K. Shirmanesh, R. Sokhoyan, P.C. Wu, and H.A. Atwater, ACS Nano 14, 6912 (2020).
  24. V.V. Zubyuk, P.P. Vabishchevich, M.R. Shcherbakov, A. S. Shorokhov, A.N. Fedotova, S. Liu, G. Keeler, T.V. Dolgova, I. Staude, I. Brener, and A.A. Fedyanin, ACS Photonics 6, 2797 (2019).
  25. K. Koshelev, A. Bogdanov, and Y. Kivshar, Sci. Bull. 64, 836 (2019).
  26. H. Qin, W. Redjem, and B. Kante, Opt. Lett. 47, 1774 (2022).
  27. E.V. Melik-Gaykazyan, K. L. Koshelev, J. Choi, S. S. Kruk, H. Park, A.A. Fedyanin, and Y. S. Kivshar, JETP Lett. 109, 131 (2019).
  28. V.V. Zubyuk, P.A. Shafirin, M.R. Shcherbakov, G. Shvets, and A.A. Fedyanin, ACS Photonics 9, 493 (2022).
  29. K. I. Okhlopkov, A. Zilli, A. Tognazzi, D. Rocco, L. Fagiani, E. Mafakheri, M. Bollani, M. Finazzi, M. Celebrano, M.R. Shcherbakov, C. Angelis, and A.A. Fedyanin, Nano Lett. 21, 10438 (2021).
  30. K. Koshelev, S. Lepeshov, M. Liu, A. Bogdanov, and Y. Kivshar, Phys. Rev. Lett. 121, 193903 (2018).
  31. S. Campione, S. Liu, L. I. Basilio, L.K. Warne, W. L. Langston, T. S. Luk, J.R. Wendt, J. L. Reno, G.A. Keeler, I. Brener, and M.B. Sinclair, ACS Photonics 3, 2362 (2016).
  32. A.M. Черняк, M. Г. Барсукова, A.С. Шорохов, А.И. Мусорин, А.А. Федянин, Письма вЖЭТФ 111, 40 (2020).
  33. A.P. Anthur, H. Zhang, R. Paniagua-Dominguez, D.A. Kalashnikov, S.T. Ha, T.W. Maß, A. I. Kuznetsov, and L. Krivitsky, Nano Lett. 20, 8745 (2020).
  34. K. Koshelev, Y. Tang, K. Li, D. Choi, G. Li, and Y. Kivshar, ACS Photonics 6, 1639 (2019).
  35. A. Archetti, R. Lin, N. Restori, F. Kiani, T.V. Tsoulos, and G. Tagliabue, Nanophotonics 11, 3969 (2022).
  36. E. Klopfer, M. Lawrence, D. Barton III, J. Dixon, and J.A. Dionne, Nano Lett. 20, 5127 (2020).
  37. E. Lassalle, T.W. Mass, D. Eschimese, A.V. Baranikov, E. Khaidarov, S. Li, R. Paniagua-Dominguez, and A. I. Kuznetsov, ACS Photonics 8, 1457 (2021).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Российская академия наук

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».