高质量、尺寸无关且可重构的光学天线，嵌入在零折射率腔体中

《ACS Nano》：High-Q, Size-Independent, and Reconfigurable Optical Antennas Embedded in Zero-Index Cavities

提升纳米尺度光-物质相互作用是纳米光子学的核心，epsilon-near-zero（ENZ）材料为此提供了新方向。传统方法依赖光子晶体的大面积亚50纳米加工，而Mie谐振器受限于低Q值和高折射率需求。本研究通过将Mie谐振器嵌入ENZ介质，实现了Q值提升（超100）、几何色散抑制和波长动态调谐（11-16 μm）。创新结构包括AlN空腔、SiO?中Ge纳米结构及掺杂InSb的本征谐振器，为高精度传感器、热发射器和可重构超表面提供新方案。

　　

在纳米尺度上增强光与物质的相互作用是纳米光子学的基础，而介电常数接近零（ENZ）的材料在这方面展现出巨大的潜力。通常，要实现能够最大化这些相互作用的高品质因数（Q值）共振，需要在光子晶体中进行精度低于50纳米的纳米制造，这限制了其可扩展性并增加了复杂性。米氏共振（Mie resonances）提供了一种替代方案，但由于高折射率材料的稀缺，其Q值较低，这要求较大的折射率变化才能实现有效的共振切换，并且限制了动态重构能力。我们通过将米氏谐振器嵌入到ENZ介质中，克服了这些限制，从而提高了Q值，减轻了几何色散和制造难题，并最大化了光学重构能力。我们介绍了三种谐振器-ENZ结构：AlN中的空洞、SiO₂中的Ge以及掺杂InSb中的本征InSb——这些结构能够覆盖从低损耗声子模式到高损耗等离子体ENZ模式的整个范围。利用新型的外延再生技术，我们实现了比非嵌入式谐振器更高的Q值提升。嵌入AlN中的空气基米氏谐振器支持超过100的共振Q值，在800至2800纳米的尺寸范围内几乎不存在几何色散。此外，我们还展示了本征InSb谐振器的动态重构能力，通过热调谐可以在中红外（11–16 μm）波长范围内改变ENZ的波长。这些结果展示了嵌入ENZ介质中的米氏谐振器在高性能传感器、热发射器和可重构超表面方面的潜力，将理论预测与实际应用联系起来，并推动了动态高Q值光学器件的发展。