自由电子与亚-$\lambda^3$模体积、高Q值光子腔的高效耦合
光学
2023-07-31 v1
摘要
我们报道了模体积小于（为光的自由空间波长）的高品质因子腔的设计、实现以及通过空间分辨单色化电子能量损失谱（EELS）进行的实验研究。这些腔基于由硅制成的二维光子晶体 slab 中的狭缝缺陷。它们针对加速至100 kV的电子与沿狭缝方向极化的准横电（quasi-Transverse Electrical）模式之间的高耦合进行了优化。我们以两种几何结构研究了这些腔。第一种几何结构（腔即为此设计）对应于电子束沿狭缝方向行进。第二种由电子束垂直于 slab 行进构成。在两种情况下，均识别出大量模式。根据设计，介电阻挡狭缝模式能量测得在0.8–0.85 eV范围内，并被光子结构的介电极化与空气模式两个能带所包围。腔模式所属的介电阻挡偶狭缝模式与电子高度耦合，每个入射电子产生狭缝光子的概率高达3.2。尽管仅实验光谱分辨率（约30 meV）不足以将腔光子与其他狭缝光子区分开，但实验与FDTD模拟的显著一致性使我们能够推断，在狭缝中产生的光子约有30存储在腔模式中。对能量和耦合强度随光子带隙参数的系统研究预示着可通过微调相位匹配来提高耦合强度。我们的工作展示了自由电子与低模密度、亚-模体积的高品质因子腔的耦合，这使其成为自由电子量子纳米光学等应用的极佳候选。
引用
@article{arxiv.2307.15556,
title = {High efficiency coupling of free electrons to sub-$\lambda^3$ modal volume, high-Q photonic cavities},
author = {Malo Bézard and Imène Si Hadj Mohand and Luigi Ruggierio and Arthur Le Roux and Yves Auad and Paul Baroux and Luiz H. G. Tizei and Xavier Chécoury and Mathieu Kociak},
journal= {arXiv preprint arXiv:2307.15556},
year = {2023}
}