Low-Contrast BIC Metasurfaces with Quality Factors Exceeding 100,000

对比度(视觉) 质量(理念) 材料科学 光学 环境科学 物理 量子力学
作者
Keisuke Watanabe,Tadaaki Nagao,Masanobu Iwanaga
出处
期刊:Cornell University - arXiv
标识
DOI:10.48550/arxiv.2411.14101
摘要

Dielectric metasurfaces operating at quasi-bound states in the continuum (qBICs) can achieve exceptionally high radiative quality ($\textit{Q}$) factors by introducing small asymmetries into their unit cells. However, fabrication imperfections often impose major limitations on the experimentally observed $\textit{Q}$ factors. In this study, we experimentally demonstrate BIC metasurfaces with a record-high $\textit{Q}$ factor of 101,486 under normal excitation of light in the telecom wavelength range achieved by employing low-contrast silicon pairs. Our findings show that such ultrahigh-$\textit{Q}$ factors can be attained by leveraging both the high radiative $\textit{Q}$ factors of higher-order qBIC modes and reduced scattering losses in shallow-etched designs. Additionally, we demonstrate stable sub-picometer-level wavelength fluctuations in water, with a limit of detection of $10^{-5}$ for environmental refractive index changes. The proposed approach can be extended to BIC metasurfaces with many other configurations and operating wavelengths for ultrahigh-$\textit{Q}$ applications in both fundamental physics and advanced devices.
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