Codificación espectral continua y de fuerza de acoplamiento con metasuperficies de doble gradiente

Resumen Para controlar y mejorar las interacciones luz-materia a escala nanométrica, dos parámetros son centrales: la superposición espectral entre un modo de cavidad óptica y las características espectrales del material (por ejemplo, líneas de absorción excitónica o molecular), y el factor de calidad de la cavidad. Controlar ambos parámetros simultáneamente permitiría la investigación de sistemas con características espectrales complejas, como mezclas moleculares de múltiples componentes o materiales heterogéneos en estado sólido. Hasta ahora, solo ha sido posible muestrear un conjunto limitado de puntos de datos dentro de este espacio de parámetros bidimensional. Aquí presentamos un enfoque nanofotónico que puede codificar simultáneamente y de manera continua el espacio de parámetros espectrales y de factor de calidad dentro de un área espacial compacta. Utilizamos un diseño de metasuperficie de doble gradiente compuesto por una matriz bidimensional de nanoresonadores sublongitudinales de variación suave, cada uno soportando un modo único basado en estados ligados protegidos por simetría en el continuo. Esto resulta en 27,500 modos distintos y una densidad de modos que se aproxima al límite superior teórico para metasuperficies. Al aplicar nuestra plataforma a la espectroscopia molecular facilitada por superficie, encontramos que el factor de calidad óptimo para una sensibilidad máxima depende de la cantidad de analito, lo que permite la detección molecular efectiva independientemente de la concentración del analito dentro de una sola metasuperficie de doble gradiente. Nuestro diseño proporciona un método para analizar el espacio completo de parámetros espectrales y de fuerza de acoplamiento de sistemas materiales complejos para aplicaciones como fotocatálisis, detección química y generación de fotones entrelazados.