银纳米盘超材料中表面等离激元极化子与磁偶极子共振的耦合效应

摘要

本文通过数值模拟研究了由银纳米盘阵列和二氧化硅间隔层构成的超材料中，表面等离激元极化子（SPPs）与磁偶极子（MD）共振的耦合效应。银纳米盘阵列的周期性激发了银基底表面的SPPs，而单个银纳米盘与银基底之间的近场等离激元相互作用形成了MD共振。通过调节银纳米盘的阵列周期，使SPPs的激发波长接近MD共振位置，两者发生强耦合，形成两个混合模式，其位置可由双振子耦合模型准确预测。在强耦合区域，混合模式表现出明显的反交叉行为，产生拉比劈裂现象。同时，银纳米盘下方的磁场显著增强，这为磁非线性等潜在应用提供了可能。

研究背景

天然材料在太赫兹以上频段磁响应趋于饱和，光频下光的磁场分量通常不起主要作用。近年来，开发在光频具有显著磁响应的金属或介质纳米结构成为超材料研究热点。虽然已有许多工作通过金属-绝缘体-金属（MIM）结构、裂环谐振器、高折射率介质纳米颗粒等实现强磁响应，但关于SPPs与MD共振耦合的研究较少。本工作旨在填补这一空白，展示SPPs与MD耦合带来的磁场巨大增强与拉比劈裂现象。

方法与模型

采用有限差分时域法（FDTD）计算不同阵列周期下的吸收和反射谱。结果显示，随着周期增加，出现两个共振峰，其位置和带宽强烈依赖于周期。引入双振子耦合模型，以SPPs和MD作为两个振子，耦合强度Δ=100 meV，模型预测的共振位置与数值模拟结果吻合良好。当阵列周期为750 nm时，SPPs与MD波长重合，发生强耦合，导致反交叉和拉比劈裂。电磁场分布分析表明，弱耦合时两模式分别呈现典型MD和SPPs特征；强耦合下电磁场显著增强，磁场增强倍数随耦合增强而增加，最大磁场增强可达入射场的6100倍。

结论

本工作数值证实了银纳米盘超材料中SPPs与MD共振的强耦合效应，实现了磁场的巨大增强和拉比劈裂现象。双振子模型成功预测了混合模式演化规律。强耦合下的磁场增强为磁非线性、磁自发辐射控制等应用奠定了基础。

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纳米材料