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研究背景
1940年，Purcell提出可以通过改变腔或者波导结构来改变电磁场的态密度，从而改变发光原子的自发辐射，即Purcell效应。现有的研究常通过金属或介质结构来调控发光原子附近的光子态密度，从而改变其自发辐射速率。由于金属表面等离激元共振具有强的局域电磁场增强效应, 金属纳米天线是调控自发辐射增强的有力工具，并已经取得了丰富的研究成果。但受限于金属固有的欧姆损耗，基于金属结构的纳米天线一般损耗较大。
近年来，高折射率介质纳米结构受到了越来越广泛的关注，其具有低损耗的特性。现有的研究工作已经在不同尺寸的硅纳米球中发现了电偶极子、磁偶极子和电四极子谐振模式，并用于增强磁偶极子辐射等。然而，目前尚未利用这些介质纳米球或其他介质纳米结构来同时增强电偶极子、磁偶极子和电四极子的自发辐射，并且具有远低于金属纳米结构的损耗以及足够大的增强系数。
研究亮点
华南理工大学李志远教授研究团队提出了一种硅介质纳米天线，用于同时增强电偶极子、磁偶极子和电四极子辐射。他们通过研究在不同偏振的平面波入射下硅介质长方体纳米天线的散射截面、极化电荷分布和电磁场分布，从而确认该纳米天线中同时存在的电偶极子、磁偶极子和电四极子谐振模式。利用该介质纳米天线成功增强了电偶极子、磁偶极子和电四极子点源的自发辐射，并发现计算得到的这些点源的Purcell因子谱的共振波长与纳米天线中的电偶极子、磁偶极子和电四极子共振模式相匹配。其中，电偶极子、磁偶极子和电四极子源的最大Purcell因子分别为 18、150 和 118，共振波长分别出现在 475、750和 562 nm处，均在可见光范围内，对应于蓝色、红色和绿色。
通过研究极化电荷分布特征，团队阐明了硅介质纳米天线中这些共振模式的激发和辐射是其能够同时增强电偶极子、磁偶极子和电四极子点源自发辐射的原因。该理论工作有助于深入探索和设计可同时增强电偶极子、磁偶极子和电四极子辐射的电介质纳米天线，并且相比于基于金属表面等离激元的纳米天线损耗更小。
图1 介质纳米天线的结构图
图2 电偶极子、磁偶极子和电四极子的Purcell因子与波长的关系图
该工作以“Silicon cuboid nanoantenna with simultaneous large Purcell factorfor electric dipole, magnetic dipole and electric quadrupole emission”为题发表在Opto-Electronic Advances 2022年第2期。
论文来源：https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2022.210024
文章来源：https://mp.weixin.qq.com/s/KauglHP4jHphC6JgucpnXA
