Manipulation of Magnetic Dipole Emission from Eu<sup>3+</sup> with Mie-Resonant Dielectric Metasurfaces

电偶极子跃迁 磁偶极子 偶极子 电介质 分子物理学 材料科学 电偶极矩 极化密度 电场 原子物理学 凝聚态物理 光电子学 物理 磁场 磁化 量子力学
作者
Aleksandr Vaskin,S. Mashhadi,Michael Steinert,Katie E. Chong,David Keene,Stefan Nanz,Aimi Abass,Evgenia Rusak,Duk-Yong Choi,Ivan Fernandez-Corbaton,Thomas Pertsch,Carsten Rockstuhl,Mikhail A. Noginov,Yuri S. Kivshar,Dragomir N. Neshev,Natalia Noginova,Isabelle Staude
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:19 (2): 1015-1022 被引量:62
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b04268
摘要

Mie-resonant high-index dielectric nanoparticles and metasurfaces have been suggested as a viable platform for enhancing both electric and magnetic dipole transitions of fluorescent emitters. While the enhancement of the electric dipole transitions by such dielectric nanoparticles has been demonstrated experimentally, the case of magnetic-dipole transitions remains largely unexplored. Here, we study the enhancement of spontaneous emission of Eu3+ ions, featuring both electric and magnetic-dominated dipole transitions, by dielectric metasurfaces composed of Mie-resonant silicon nanocylinders. By coating the metasurfaces with a layer of an Eu3+ doped polymer, we observe an enhancement of the Eu3+ emission associated with the electric (at 610 nm) and magnetic-dominated (at 590 nm) dipole transitions. The enhancement factor depends systematically on the spectral proximity of the atomic transitions to the Mie resonances as well as their multipolar order, both controlled by the nanocylinder size. Importantly, the branching ratio of emission via the electric or magnetic transition channel can be modified by carefully designing the metasurface, where the magnetic dipole transition is enhanced more than the electric transition for cylinders with radii of about 130 nm. We confirm our observations by numerical simulations based on the reciprocity principle. Our results open new opportunities for bright nanoscale light sources based on magnetic transitions.

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