High-Q magnetic toroidal dipole resonance in all-dielectric metasurfaces

多极展开 偶极子 诺共振 电介质 共振(粒子物理) Q系数 电场 物理 凝聚态物理 磁偶极子 核磁共振 光电子学 分子物理学 原子物理学 量子力学 等离子体子 谐振器
作者
Ying Zhang,Lulu Wang,Haoxuan He,Hong Duan,Jing Huang,Chenggui Gao,Shaojun You,Lujun Huang,Andrey E. Miroshnichenko,Chaobiao Zhou
出处
期刊:APL photonics [American Institute of Physics]
卷期号:9 (7) 被引量:24
标识
DOI:10.1063/5.0208936
摘要

High quality (Q) factor toroidal dipole (TD) resonances have played an increasingly important role in enhancing light–matter interactions. Interestingly, TDs share a similar far-field distribution as the conventional electric/magnetic dipoles but have distinct near-field profiles from them. While most reported works focused on the electric TD, magnetic TDs (MTDs), particularly high-Q MTD, have not been fully explored yet. Here, we successfully realized a high-Q MTD by effectively harnessing the ultrahigh Q-factor guided mode resonances supported in an all-dielectric metasurface, that is, changing the interspacing between silicon nanobar dimers. Other salient properties include the stable resonance wavelength but a precisely tailored Q-factor by interspacing distance. A multipole decomposition analysis indicates that this mode is dominated by the MTD, where the electric fields are mainly confined within the dielectric nanostructures, while the induced magnetic dipole loops are connected head-to-tail. Finally, we experimentally demonstrated such high-Q MTD resonance by fabricating a series of silicon metasurfaces and measuring their transmission spectra. The MTD resonance is characterized by a sharp Fano resonance in the transmission spectrum. The maximum measured Q-factor is up to 5079. Our results provide useful guidance for realizing high-Q MTD and may find exciting applications in boosting light–matter interactions.
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