"Experimental realization of three-dimensional indefinite cavities at the nanoscale with anomalous scaling laws". X. Yang, J. Yao, J. Rho, X. Yin, X. Zhang. NATURE PHOTONICS 6, 450 (2012).
DOI: 10.1038/nphoton.2012.124
Metamaterials allow for extraordinary electromagnetic properties that are not attainable in nature. Indefinite media with hyperbolic dispersion, in particular, have found intriguing applications.
The miniaturization of optical cavities increases the photon density of
states and therefore enhances light–matter interactions for
applications in modern optoelectronics. However, scaling down the
optical cavity is limited to the diffraction limit and by the reduced
quality factor. Here, we experimentally demonstrate an optical cavity
made of indefinite metamaterials that confines the electromagnetic field
to an extremely small space. The experiments reveal that indefinite
cavities demonstrate anomalous scaling laws: cavities with different
sizes can resonant at the same frequency, and a higher-order resonance
mode oscillates at a lower frequency. We also demonstrate a universal
fourth power law for the radiation quality factor of the wave vector.
Cavities with sizes down to λ/12 are realized with ultrahigh optical indices (up to 17.4), a feature that is critically important for many applications.
Los metamateriales permiten extraordinarias propiedades electromagnéticas que no se dan de manera natural. En particular, medios indefinidos con dispersión hiperbólica han mostrado aplicaciones interesantes. La miniaturización de las cavidades ópticas aumenta la densidad de estados de los fotones y por lo tanto aumenta las interacciónes de la luz con la materia en las aplicaciones de optoelectrónica moderna. Sin embargo, la disminución de las dimensiones de la cavidad óptica está limitada por el límite de difracción y por el reducido factor de calidad. Aquí se muestra experimentalmente una cavidad óptica hecha de metamateriales indefinidos que confinan el campo electromagnético a un espacio extremadamente pequeño. Los experimentos revelan que las cavidades indefinidas muestran leyes de escalamiento anómalas: cavidades de diferentes tamaños pueden resonar a una misma frecuencia, y un modo de resonancia de orden mayor oscila a una frecuencia menor. También se muestra una ley universal de cuarta potencia para el factor de calidad de radiación del vector de onda. Se lograron cavidades con tamaños tan pequeños como λ/12 con índices ópticos ultraaltos (de hasta 17.4), que es una característica de importancia crítica para muchas aplicaciones.
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