Overcoming High-Quality Limitations in Plasmonic Metasurfaces for Ultrasensitive Terahertz Applications

太赫兹辐射 等离子体子 材料科学 纳米技术 质量(理念) 光电子学 物理 量子力学
作者
Ziheng Ren,Yuze Hu,Weibao He,Shun Wan,Siyang Hu,Zhongyi Yu,Xiang’ai Cheng,Zhongjie Xu,Tian Jiang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (32): 21211-21220
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c04565
摘要

In photonics, achieving high-quality (Q) resonance is crucial for high-sensitivity devices used in applications, such as switching, sensing, and lasing. However, high-Q resonances are highly susceptible to internal losses of plasmonic devices, impeding their integration into broader systems across terahertz and visible light bands. Here, we overcome this challenge by proposing a low-Q plasmonic metasurface for ultrasensitive terahertz (THz) switching and sensing. Theoretically, we reveal an approach to constructing a low-Q resonator possessing high sensitivity to nonradiative losses. Leveraging this mechanism, we design a highly sensitive plasmonic metasurface induced by strong coupling between a quasi-bound state in the continuum and a dipole mode. By hybridizing with the germanium layer, the metadevice exhibits an ultralow pump threshold of 192 μJ/cm2 and an ultrafast switching cycle time of 7 ps. Furthermore, it also shows a high sensitivity of 224 GHz/RIU in refractive index sensing. The proposed paradigm of constructing low-Q and high-sensitivity photonic devices can be applied to biosensing, wide-band filters, and sensitive modulators.
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