贵金属纳米粒子结构的磁Fano共振及其在左手材料中的应用

For its abnormal electromagnetic properties, the left-handed materials have huge potential application in super-resolution imaging, electromagnetic stealth materials, microwave devices and antenna design. The promotion of the stronger magnetic response at optical frequencies is still challenging, due to the saturation of the magnetic response in natural materials. Recently, an important way found for overcoming such difficulty consists in exchanging usual conduction currents, affected by strong ohmic losses, with displacement currents induced by magnetic Fano plasmonic resonances of the noble metal. This proposal start with the plasmon hybridization (PH) method, the magnetic Fano resonances will be induced by symmetry breaking and lateral phase. The essential characteristics and excitation condition of magnetic Fano resonances will be investigated by using finite element method. The strength of magnetic hot-spot will be enhanced. We will further explore the influence of shape, arrangement and size of noble metallic micro/nanostructures on magnetic Fano resonances. The understanding of the mechanism of magnetic Fano resonances and plasmon theory will be improved and enriched. We will further study the potential applications of left-handed metamaterials which contributed by the building-block of noble metal nanostructured. The results will be helpful to the design and fabrication of new-type left-handed materials.

左手材料由于其反常的电磁特性，在超分辨成像、电磁隐身、微波器件和天线设计等领域有着巨大的应用潜力。由于自然材料磁响应饱和度的影响，如何在光波段获取强的磁介电响应，已经成为限制左手材料发展的瓶颈。贵金属纳米结构的表面等离激元磁Fano共振能够感应位移电流，从而代替被欧姆损耗强烈影响的传导电流，以环流模式形成磁性热点，成为解决磁介电响应获取的重要途径之一。本项目拟从表面等离激元理论出发，利用贵金属纳米结构的对称性破缺和激发光的相位延迟激发磁Fano共振；用有限元数值算法开展磁Fano共振研究，探索磁Fano共振的本质特点、激发条件；增强磁Fano共振的磁性热点强度，研究贵金属纳米结构的形状、尺寸、排列对磁Fano共振的影响；完善磁Fano共振的物理机制，丰富表面等离激元理论；探索以支持磁Fano共振的贵金属纳米结构为基本单元的左手材料，为左手材料设计和制作提供前瞻性理论参考。

表面等离激元光子学（Plasmonics）是纳米光子学的一个重要分支，它让人们对纳米量级下的光和物质相互作用的本质更加了解，并促进相关科技更好的发展。表面等离激元是存在于金属与电介质分界面间的集体电荷震荡，它的本质是电磁波。近年来，由于金属表面等离激元其新颖的光学特性，如表面增强拉曼散射、电磁感应透明和Fano共振效应等，吸引了研究者广泛关注。. Fano共振（Fano resonance）是一种会产生非对称线形的散射共振现象。当产生Fano共振时，微纳结构系统的辐射损耗较低，会导致巨大的局域电磁场增强，并对周围空间的折射率变化非常敏感。这些良好的特性，使得Fano共振在表面增强光谱学、近场增强、生物传感等领域被广泛研究，基于等离激元微纳结构产生Fano共振目前一直是微纳光子学的一个研究热点。. 通过改变金属微纳结构的几何参数或破坏结构的对称性可以产生调制表面等离激元Fano共振。鉴于此，本项目主要工作在于设计多种金属微纳结构，产生和调制Fano共振，并对其机理进行探索研究。在方形劈裂环二聚体（SSRD）、不对称的劈裂环-盘（ASR-D）和双劈裂环（TD-SR）微纳结构中可以实现单个磁Fano或双磁Fano共振，并且在TD-SR微纳结构中可以同时实现双Fano共振和类电磁诱导透明，在SSRD微纳结构中最大折射率灵敏度值和最高品质因数FOM值可以分别达到2043nm/RIU和57.9。在基于劈裂环-完整环（SR-PR）、非同心不对称双纳米环（NARR）、双劈裂环/方环（DSR-SR）、完整环-三弧环（PR-TAR）和等离激元熊猫眼（P-E）微纳结构中可以实现多重电Fano共振或多重磁Fano共振，并对其进行有效调控，并且在SAR-D微纳结构中可实现386倍的电场增强和118倍的磁场增强。. 本项目设计的微纳结构，对于产生Fano共振及调制的途径提供了多种思路，这些微纳结构都可以在生物传感器、表面增强拉曼增强光谱学、低损耗磁等离子体传输、慢光器件和多波长光谱仪等方面具有潜在的应用前景。

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