Ultrasensitive terahertz sensing with high-Q Fano resonances in metasurfaces

太赫兹辐射 超材料 诺共振 等离子体子 折射率 四极 质量(理念) 光电子学 Q系数 激发 法诺平面 光学 物理 材料科学 谐振器 原子物理学 量子力学 纯数学 数学
作者
Ranjan Singh,Wei Cao,Ibraheem Al‐Naib,Longqing Cong,Withawat Withayachumnankul,Weili Zhang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:105 (17) 被引量:587
标识
DOI:10.1063/1.4895595
摘要

High quality factor resonances are extremely promising for designing ultra-sensitive refractive index label-free sensors since it allows intense interaction between electromagnetic waves and the analyte material. Metamaterial and plasmonic sensing has recently attracted a lot of attention due to subwavelength confinement of electromagnetic fields in the resonant structures. However, the excitation of high quality factor resonances in these systems has been a challenge. We excite an order of magnitude higher quality factor resonances in planar terahertz metamaterials that we exploit for ultrasensitive sensing. The low-loss quadrupole and Fano resonances with extremely narrow linewidths enable us to measure the minute spectral shift caused due to the smallest change in the refractive index of the surrounding media. We achieve sensitivity levels of 7.75 x 10^3 nm/ RIU with quadrupole and 5.7 x 10^4 nm/ RIU with the Fano resonances which could be further enhanced by using thinner substrates. These findings would facilitate the design of ultrasensitive real time chemical and biomolecular sensors in the fingerprint region of the terahertz regime.
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