Aprimoramento Hall de spin fotônico assistido por ressonador nanofotônico para aplicação de detecção

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9292 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Este manuscrito apresenta uma estrutura de ressonador dielétrico com características de dispersão alteradas para aumentar o efeito fotônico spin Hall (PSHE). Os parâmetros estruturais são otimizados para aumentar o PSHE no comprimento de onda operacional de 632,8 nm. A análise de dispersão angular dependente da espessura é realizada para otimizar a estrutura e obter os pontos excepcionais. A divisão de rotação induzida por PSHE mostra uma alta sensibilidade à espessura óptica da camada defeituosa. Isso fornece um deslocamento transversal máximo baseado em PSHE (PSHE-TD) de cerca de 56,66 vezes o comprimento de onda operacional em um ângulo de incidência de 61,68°. Além disso, a capacidade da estrutura como um sensor de índice de refração baseado em PSHE também é avaliada. Os resultados analíticos demonstram uma sensibilidade média de cerca de 33.720 μm/RIU. A estrutura exibe cerca de cinco vezes mais PSHE-TD e aproximadamente 150% de melhoria na sensibilidade do que os valores relatados recentemente em estruturas de ressonância de modo com perdas. Devido às configurações do ressonador PhC puramente assistido por material dielétrico e PSHE-TD significativamente maior, o desenvolvimento de dispositivos baseados em PSHE de baixo custo para aplicações comerciais está previsto.

A interação spin-órbita (SOI) é uma ocorrência fundamental observada em várias áreas de pesquisa científica, como física da matéria condensada, spintrônica e fotônica. Nos últimos anos, muito interesse tem crescido na investigação do efeito Hall de spin (SHE) em elétrons, que é uma coleção de fenômenos relativísticos SOI1. A capacidade de gerar, manipular e detectar correntes de spin deu origem a aplicações como lógica booleana, memórias, computação e segurança de hardware2,3,4 etc. e espera-se que mostre desempenho superior devido à sua vantagem inerente. O PSHE refere-se ao deslocamento transversal dependente do spin dos fótons em relação à trajetória óptica geométrica quando o feixe passa por uma interface óptica ou meio não homogêneo5,6. Bliokh et ai. no ano de 2004 introduziu a divisão baseada em spin topológico de fótons no meio não homogêneo usando o conceito de fase Berry geométrica (GBP)7,8. Onoda et ai. no mesmo ano, propôs a presença de PSHE com base em GBP e conversão de momento angular óptico (OAM)9 e propôs ainda uma abordagem teórica abrangente para calcular o PSHE no ano de 200710. Assim, a origem do PSHE está associada ao SOI da luz , OAM e fases geométricas, ou seja, fase Rytov-Vlasimirskii e fase Pancharatnam-Berry11. Devido ao efeito PSHE, o feixe refletido se divide em estados de polarização correspondentes (RCP/LCP ou polarização H/V).

A primeira demonstração experimental do PSHE foi realizada em 2008 por Hosten et al. em uma interface ar-vidro12. Em seguida, a investigação de PSHE foi realizada em materiais quirais13, filmes finos metálicos14, materiais topológicos15, cristais atômicos bidimensionais16, metamateriais17 e cristais fotônicos (PhC)18, etc. Aqui, a ênfase principal é aprimorar o PSHE, que tem sido investigado considerando várias técnicas nanofotônicas, como ângulo de Brewster19, ressonância de plasma de superfície (SPR)20,21,22, bombeamento óptico23 e ressonância de modo com perdas (LMR)24, etc. Essas técnicas têm sido utilizadas no projeto de sensores de índice de refração altamente sensíveis usando PSHE14,24,25,26,27. No entanto, o PSHE-TD relatado é muito baixo na maioria das estruturas relatadas, limitando seu uso generalizado em várias aplicações interessantes. O PSHE-TD também pode ser aprimorado considerando nanodispositivos baseados em cristais fotônicos multicamadas por causa de suas propriedades de controle de luz28. Esses dispositivos testemunharam um crescimento considerável na demanda em várias aplicações interessantes nos últimos anos, incluindo diagnóstico biomédico, detecção de líquido/gás e monitoramento ambiental29,30. Essas nanoestruturas podem ser otimizadas para manipular as interações luz-matéria, suprimindo uma polarização específica. Essa propriedade aumenta o PSHE e, portanto, mostra suas capacidades em várias aplicações interessantes em uma ampla gama de áreas científicas31. No entanto, até onde sabemos, o trabalho ainda não foi relatado na literatura sobre apenas configurações de ressonador PhC assistidas por material dielétrico para detecção de índice de refração usando aprimoramento de PSHE.