Enhanced THz Nonlinearity Enabled by Nano-slot antennas on Vanadium dioxide thin films

Abstract

The optical pump-THz probe experiments have been performed to study the enhanced nonlinearity by nano-slot antennas on vanadium dioxide thin film. Vanadium dioxide (VO2) thin films are well-known nonlinear materials: VO2 undergoes insulator-to-metal phase transition at critical temperature, 340K. Nonlinearity can be induced by ultrafast optical pumping as well and the reported response time scale is below a pico-second. During the phase transition, the optical index of refraction dramatically changes as a function of temperature. The modulation of the corresponding optical transmission, however, is quite small even though the VO2 films are in metallic state completely because the thickness of the film is too small compared to the wavelength of the incident light. For example, since the wavelength of the THz wave ranges from 0.03 mm to 3 mm while the typical film thickness of VO2 is only 100 nm, the THz transmission through metallic state of VO2 is still remains larger than 10 %. High wavelength-thickness mismatch blocks the effective use of thin films as nonlinear optical devices. In this thesis, an order of magnitude enhanced nonlinearity of vanadium dioxide thin film patterned with nano-slot antennas fabricated on the gold film is reported. Transmission of terahertz radiation, little affected by a CW (continuous wave) optical pumping, 532-nm-wavelength, for the case of bulk thin film, can now be completely switched-off: ΔT/T≈-0.9999 by the same optical pumping power. This unprecedentedly large optical pump-terahertz probe nonlinearity originates from the insulator-to-metal phase transition drastically reducing the antenna cross sections of the nano-slot antennas. By virtue of phase transition of VO2 from insulating to metallic state, induced in sub-picosecond time scale by moderate optical pump pulse, ultrafast control of THz transmission is demonstrated with nano-slot antenna patterning. This is compared to bare VO2 films where no switching dynamics are observed under similar conditions. Proposed scheme enables nanoscale-thin film technology to be used for all-optical switching of long wavelength light, engineering giant nonlinearities, and quantum computing.

본 논문에서는 옵티칼 펌프-테라헤르츠 프루브 실험을 통해 바나디움 다이옥사이드 위에 올려진 나노-슬롯 안테나로 인한 비선형성 증폭 현상을 탐구하였다. 바나디움 다이옥사이드 박막은 잘 알려진 비선형성 물질로서, 임계 온도인 340 켈빈에서 부도체에서 도체로 상전이를 일으키는 물질이다. 이러한 비선형성은 극초단파 펄스 레이저를 통해 유도될 수 있으며, 이때 상전이가 일어나는 시간은 피코 초 이하인 것이 보고 되어 있다. 상전이가 진행되는 동안, 광학적 굴절률은 온도에 따라 큰 변화를 보인다. 그러나 이러한 굴절률의 큰 변화에 대응되는 빛의 투과율 변화는 매우 작은데, 그 이유는 입사하는 빛의 파장에 비하여 박막의 두께가 매우 얇기 때문이다. 예를 들면, 테라헤르츠 파의 파장은 30 마이크로미터에서 3 밀리미터에 이르는데 반해 바나디움 다이옥사이드 박막의 두께는 보통 100 나노미터 수준이어서, 바나디움 다이옥사이드 박막이 도체 상태에 있다고 하더라고 투과율은 10 % 를 넘게 된다. 이와 같이 파장과 두께의 큰 차이는 박막을 비선형 광학 장치로 이용하려는데 장애물이 되고 있다. 본 논문에서는 금 박막에 새겨진 나노-슬롯 안테나를 바나디움 다이옥사이드 위에 올렸을 때 비선형성이 큰 폭으로 증대됨을 보였다. 532 나노미터 파장의 레이저로 바나디움 다이옥사이드 박막에 비선형성을 일으켰을 때 테라헤르츠 파의 투과율 변화는 미비하였으나, 나노-슬롯 안테나가 더해진 필름에서는 같은 조건에서 0.01 % 이하의 투과율만이 관측되었다. 이러한 커다란 비선형성 증폭은 바나디움 다이옥사이드의 박막이 부도체에서 도체로 상전이를 일으키면서 나노-슬롯 안테나의 반응 범위를 큰 폭으로 감소 시켰기 때문이다. 또한 피코 초 이하에서 일어나는 바나디움 다이옥사이드의 매우 빠른 상전이를 이용하여 나노-슬롯 안테나가 올려진 박막에서 테라헤르츠 파의 투과율을 초고속으로 조절하는데 성공하였다. 이는 같은 조건에서 안테나가 없는 박막이 아무런 스윗칭 효과를 보여주지 못한 것과 대비된다. 본 논문에서 제안된 방식은 나노 두께의 박막을 이용한 긴 파장대에서의 온-광학 스윗칭 소자의 제작, 거대 비선형성 조절, 양자 컴퓨팅 기술 등에 응용될 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다고 하겠다.