Terahertz Quantum Plasmonics of Nanoslot Antennas in Nonlinear Regime

두 금속 사이의 틈의 크기를 나노미터(10-9 미터) 이하로 조절할 수 있게 되면서 금속의 자유전하와 빛의 결합에 따른 현상을 연구하는 플라즈모닉스 분야는 전자의 터널링과 같은 양자효과를 무시할 수 없는 새로운 국면을 맞게 되었다. 본 연구에서는 빛(가시광선)의 주파수에 비해서는 직류(DC)에 가깝지만 직류와는 달리 1 피코초(10-12 초)의 순간에만 전자기장을 가할 수 있는 테라헤르츠 펄스파를 이용하여 틈의 크기가 1 나노미터를 훨씬 넘는 금속구조물에서 빛의 전기장에 의한 양자현상을 관측하였다. 금속 틈 안에서 전기장의 크기가 5 V/nm까지 집속됨에 따라 다양한 형태의 고리형 슬롯 안테나 구조물의 1.5에서 10 나노미터 크기까지의 틈에서 전자의 터널링 현상이 일어났고, 그에 따른 테라헤르츠파의 비선형적 투과감소를 확인하였다. 본 연구의 테라헤르츠 분광학에 대한 접근은 양자-플라즈모닉스의 연구 범위를 테라헤르츠 주파수, 수 V/nm의 강한 전기장이 존재하는 환경, 그리고 나노미터 이상의 크기를 가진 양자장벽에 대해서까지 확장시켰다는 점에서 그 의의가 크다.

Quantum tunneling in plasmonic nanostructures has presented an interesting aspect of incorporating quantum mechanics into classical optics. However, the study has been limited to the subnanometer gap regime. Here, we newly extend quantum plasmonics to gap widths well over 1 nm by taking advantage of the low-frequency terahertz regime. Enhanced electric fields of up to 5 V/nm induce tunneling of electrons in different arrays of ring-shaped nanoslot antennas of gap widths from 1.5 to 10 nm, which lead to a significant nonlinear transmission decrease. These observations are consistent with theoretical calculations considering terahertz-funneling-induced electron tunneling across the gap.