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Nonlinearity in the Dark: Broadband Terahertz Generation with Extremely High Efficiency

太赫兹辐射 超材料 物理 谐振器 非线性系统 宽带 等离子体子 光学 太赫兹间隙 光电子学 激光器 量子力学 太赫兹超材料 远红外激光器
作者
Ming Fang,Nian-Hai Shen,Wei E. I. Sha,Zhixiang Huang,Thomas Koschny,Costas M. Soukoulis
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:122 (2) 被引量:31
标识
DOI:10.1103/physrevlett.122.027401
摘要

Plasmonic metamaterials and metasurfaces offer new opportunities in developing high performance terahertz emitters and detectors beyond the limitations of conventional nonlinear materials. However, simple meta-atoms for second-order nonlinear applications encounter fundamental trade-offs in the necessary symmetry breaking and local-field enhancement due to radiation damping that is inherent to the operating resonant mode and cannot be controlled separately. Here we present a novel concept that eliminates this restriction obstructing the improvement of terahertz generation efficiency in nonlinear metasurfaces based on metallic nanoresonators. This is achieved by combining a resonant dark-state metasurface, which locally drives nonlinear nanoresonators in the near field, with a specific spatial symmetry that enables destructive interference of the radiating linear moments of the nanoresonators, and perfect absorption via simultaneous electric and magnetic critical coupling of the pump radiation to the dark mode. Our proposal allows eliminating linear radiation damping, while maintaining constructive interference and effective radiation of the nonlinear components. We numerically demonstrate a giant second-order nonlinear susceptibility around Hundred-Billionth m/V, a one order improvement compared with the previously reported split-ring-resonator metasurface, and correspondingly, a 2 orders of magnitude enhanced terahertz energy extraction should be expected with our configuration under the same conditions. Our study offers a paradigm of high efficiency tunable nonlinear metadevices and paves the way to revolutionary terahertz technologies and optoelectronic nanocircuitry.
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