Strong coupling between terahertz nano-slot antenna and metallic nano-objects

Abstract

기존의 연구들을 통하여 광학 안테나는 국소 전자기장의 증폭 및 나노 입자 또는 생분자 검출과 관련하여 많은 관심을 받아왔다. 특히 광학 안테나를 이용하여 증폭된 강한 국소 전기장은 작은 입자로부터의 산란 및 비선형 방사(nonlinear emission) 현상을 증가시키며 결론적으로 빛의 회절 한계를 극복하면서 파장보다 훨씬 작은 입자들의 검출을 가능케 하였다. 이러한 기존 연구들을 바탕으로 본 논문에서는 광학 안테나의 개념을 테라헤르츠 주파수 대역에 적용시킨 테라헤르츠 나노 구멍 안테나에 대해 다룬다. 테라헤르츠 나노 구멍 안테나란 수백 마이크로미터 길이를 가지면서 수십 또는 수백 나노미터 너비를 지니는 직사각형 구멍 안테나를 말한다. 이 테라헤르츠 나노 안테나는 파장이 수백 마이크로미터에서 수 밀리미티에 이르는 테라헤르츠 전자기파의 나노미터 수준의 정밀한 제어를 가능하게 한다. 특히 본 논문에서는 테라헤르츠 주파수 대역에서 나노 구멍 안테나와 크기가 (lambda/1,000)^3 보다 작은 금속 나노 입자 사이의 강한 상호작용 현상에 대해 연구한다. 일반적으로 자유 공간에 있는 나노 입자는 그 단면(cross-section)이 매우 작아서 테라헤르츠 전자기파로는 검출이 불가능하다. 그러나 나노 입자를 나노 구멍 안테나 안에 놓았을 때, 우리는 둘 사이의 강한 상호작용 현상을 관찰할 수 있으며, 이러한 현상은 안테나 구멍 안에서의 다중 반사 효과로 인하여 나노 입자와 테라헤르츠 전자기파 사이의 실제 상호작용 빈도수가 크게 증가하기 때문에 나타난다. 이 뿐만 아니라, 이 논문에서는 나노 구멍 안테나에 대한 기본적인 특성에 대한 연구도 다루었는데, 나노 구멍 안테나 안에서의 강한 전기장 집속 현상과 수직 또는 수평 방향에 놓여 있는 두 인접한 나노 구멍 안테나 사이의 상호작용에 대한 연구를 수행하였다.

Optical antennas have received much interest with the ability to generate resonantly enhanced local fields and to detect nanoparticles and biomolecules. Strong local fields could increase the scattering or the nonlinear emission from particles thereby enabling detection of subwavelength particles beyond the diffraction limit. Based on these attempts, we would transplant the concept of optical antennas into terahertz nano-slot antenna with hundreds micron length and nano-sized width, leading to new functionalities in terms of nanoscale control of terahertz electromagnetic wave. In this thesis, we will demonstrate strong coupling between nano-slot antenna and metallic nanoparticles with the volume much smaller than (lambda/1,000)^3 in the terahertz region, in which multiple reflections accompanying resonance increase effective interactions between particle and wave. Moreover, in slot antenna array, horizontal- and vertical-interactions between two adjacent slot antennas will be experimentally and theoretically explored.