基于三重等离子体诱导透明效应的块状狄拉克半金属超材料中的多调制器与多传感器组合

《Micro and Nanostructures》：Multiple modulator and sensor in a bulk Dirac semimetal metamaterial based on triple plasmon-induced transparency

体狄拉克半金属超材料实现三重等离子体诱导透明窗口及高性能调制器，通过FDTD模拟和四粒子模型验证其光谱特性，发现尺寸增大导致蓝移现象，并设计出四重调制器结构，具有93.43%调制深度、11.83dB消光比和1.04dB插入损耗，环境敏感性分析显示折射率变化引起红移，灵敏度达XX和FOM达XX。

　　

方晨|徐博浩|刘博文

中国长江大学物理与光电工程学院，荆州434023

摘要

本研究介绍了一种创新性的体块狄拉克半金属（BDS）超材料，该材料具有三重等离子体诱导透明（PIT）窗口特性。通过使用时域有限差分（FDTD）方法进行的数值模拟，并通过四粒子模型进行了验证，模拟数据与理论预测结果非常吻合。对不同几何参数下的传输光谱进行系统研究后发现，随着尺寸尺度的增加，传输光谱表现出明显的蓝移现象——这一现象被用于设计一种新型的四重调制器。所设计的调制器表现出优异的性能指标，包括深度调制（MD = 93.43%）、高消光比（ER = 11.83 dB）和低插入损耗（IL = 1.04 dB）。此外，环境敏感性分析证实了传输峰值的红移趋势与折射率变化相关。计算结果显示，最大灵敏度达到$$，性能系数（FOM）达到$$。这些结果证明了所提出的BDS架构是下一代光子器件的一个有前景的平台，特别是在高速调制器和超灵敏折射率传感器方面。

引言

电磁诱导透明（EIT）是一种由原子集合与外部光场之间的相干相互作用引起的量子干涉现象，在慢光系统[1]、非线性光学[2]和生化传感[3]中具有重要的应用潜力。然而，严格的实验要求阻碍了其实际应用，因此人们对等离子体诱导透明（PIT）作为替代方法产生了更大的兴趣[4],[5]。作为在超材料中实现的EIT的经典类似物，PIT具有尖锐的共振凹陷和显著的群延迟，使其适用于包括传感[6],[7],[8]、开关[9],[10]以及慢光工程[11],[12],[13],[14]在内的超设备应用。尽管已经开发了多种用于超材料设计的理论模型[15],[16],[17]，但由于所需纳米结构的复杂性[18],[19],[20],[21]，实现多个PIT通道仍然具有挑战性。

传统的基于贵金属的等离子体超材料在太赫兹范围内存在固有的局限性，特别是在其固有等离子体响应和动态光谱可调性方面[22],[23],[24]。石墨烯的发现由于其卓越的电子和光学特性而引发了广泛的探索；然而，制造像石墨烯或黑磷这样的超薄二维材料面临着重大的制造挑战[25],[26],[27]。一旦基于传统金属设计的结构成功制备，就无法对其进行动态调整。与传统的金属结构相比，三维材料BDS弥补了这一不足。作为一种被称为体块狄拉克半金属（BDS）的三维材料，这类新材料具有明显的优势：易于制备的方法结合了通过外部刺激（如碱金属表面掺杂[28],[29],[30],[31]）在太赫兹范围内动态控制导电性的能力。值得注意的是，BDS可以通过载流子浓度调制实现电导率的实时调整，为设计可调谐共振结构提供了一个稳健的平台——这是传统等离子体系统所缺乏的关键能力。

Yu等人设计了一种以双层石墨烯为核心结构的双PIT结构[12]。通过使用金属电极调节石墨烯的费米能级来实现动态调控。Guo等人基于石墨烯设计了多PIT传感和传感器设备[15]。X极化的最大调制深度为81.4%，最大灵敏度为3 $$；Y极化的最大调制深度为71.2%，最大灵敏度为2.9 $$。Li等人基于BDS设计了一种单窗口PIT效应[31]，其灵敏度为110 $$，性能系数（FOM）为2 $$。这项工作进一步得到了改进。本文介绍了一种创新的基于BDS的超材料架构。为了阐明其PIT光谱，我们结合四粒子模型和时域有限差分（FDTD）模拟进行了全面分析。理论预测与数值计算之间的一致性证明了我们建模方法的有效性。关键的是，载流子浓度的动态调节能够精确控制传输光谱，从而实现高性能的四重调制器。性能评估显示，与现有同类产品相比，该调制器在调制深度、消光比和插入损耗特性方面具有优越性。环境敏感性研究展示了卓越的折射率响应能力，获得了高灵敏度值和性能系数（FOM）。利用BDS材料固有的独特三维电荷传输特性，这种设计为下一代光子器件提供了一个在多种操作环境下具有可调功能的稳健平台。

设计与仿真

图1(a)展示了所提出单元结构的三维图。该$$基底具有1.5的折射率，并且具有半无限厚度[21]。如图1(b)所示，以单元格中心为原点建立了一个坐标系，以便进行空间描述。以第一象限内的结构为代表，开放式矩形环（ORR）和U形结构（US）的中心由特定参数定义

结果与讨论

图2显示了孤立ORR、独立US及其集成复合结构的传输光谱。复合结构显示出四个不同的传输最小值，分别标记为$$、$$、$$和$$。相应的频率分别为：$$、$$、$$、$$、$$、$$、$$、$$。值得注意的是，ORR和US分别贡献了较低的传输共振，标记为$$、$$和$$，以及最尖锐的凹陷

结论

总体而言，所提出的BDS结构产生了三个PIT窗口。其中，$$是由ORR的M1模式与US的M4模式耦合形成的；$$是由ORR的M2模式与US的M4模式耦合形成的；$$是由ORR的M3模式与US的M4模式耦合形成的。我们使用四粒子模型对FDTD结果进行了拟合，拟合效果良好。我们研究了在不同$$条件下的传输光谱线变化。

CRediT作者贡献声明

方晨：撰写 – 审稿与编辑，软件。 刘博文：撰写 – 原稿撰写，软件，研究，形式分析。 徐博浩：软件，研究，形式分析

伦理批准

不适用。

数据可用性声明

可根据合理请求向作者获取数据。

利益冲突

作者声明与本工作无关任何竞争性的财务或非财务利益。

资助

得到国家自然科学基金（项目编号12075036,12375008）的支持。

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