Colloidally synthesized nanocubes strongly coupled to conducting films hold great promise for enhancing different nonlinear optical processes. They exhibit a robust and sensitive scattering response that can be easily controlled by their geometrical and material parameters. Strong local field enhancement is generated at the gap regions between the nanocubes and the metallic film. We show that strong optical bistability and all-optical switching behavior can be obtained by loading these nanogaps with Kerr nonlinear materials. Relatively low input intensities are required to obtain these nonlinear effects. The proposed design can lead to efficient, low-power, and ultrafast all-optical memories and scattering nanoswitches.

1.
R. W.
Boyd
,
Nonlinear Optics
(
Academic Press
,
San Diego, CA
,
2006
).
2.
H. M.
Gibbs
,
S. L.
McCall
, and
T. N. C.
Venkatesan
,
Phys. Rev. Lett.
36
,
1135
(
1976
).
3.
P. W.
Smith
and
E. H.
Turner
,
Appl. Phys. Lett.
30
,
280
(
1977
).
4.
M. F.
Yanik
,
S.
Fan
, and
M.
Soljacic
,
Appl. Phys. Lett.
83
,
2739
2741
(
2003
).
5.
V. R.
Almeida
and
M.
Lipson
,
Opt. Lett.
29
,
2387
2389
(
2004
).
6.
M.
Notomi
,
A.
Shinya
,
S.
Mitsugi
,
G.
Kira
,
E.
Kuramochi
, and
T.
Tanabe
,
Opt. Express
13
,
2678
2687
(
2005
).
7.
M. L.
Brongersma
and
V. M.
Shalaev
,
Science
328
,
440
441
(
2010
).
8.
J. A.
Schuller
,
E. S.
Barnard
,
W.
Cai
,
Y. C.
Jun
,
J. S.
White
, and
M. L.
Brongersma
,
Nature Mater.
9
,
193
204
(
2010
).
9.
A. P.
Alivisatos
,
K. P.
Johnsson
,
X.
Peng
,
T. E.
Wilson
,
C. J.
Loweth
,
M. P.
Bruchenz
, Jr.
, and
P. G.
Schultz
,
Nature
382
,
609
(
1996
).
10.
C. A.
Mirkin
,
R. L.
Letsinger
,
R. C.
Mucic
, and
J. J.
Storhoff
,
Nature
382
,
607
(
1996
).
11.
A.
Moreau
,
C.
Ciracì
,
J. J.
Mock
,
R. T.
Hill
,
Q.
Wang
,
B.
Wiley
,
A.
Chilkoti
, and
D. R.
Smith
,
Nature
492
,
86
(
2012
).
12.
M.
Kauranen
and
A. V.
Zayats
,
Nat. Photonics
6
,
737
748
(
2012
).
13.
M. W.
Klein
,
C.
Enkrich
,
M.
Wegener
, and
S.
Linden
,
Science
313
,
502
(
2006
).
14.
Y.
Zhang
,
N. K.
Grady
,
C.
Ayala-Orozco
, and
N. J.
Halas
,
Nano Lett.
11
,
5519
5523
(
2011
).
15.
F. B. P.
Niesler
,
N.
Feth
,
S.
Linden
, and
M.
Wegener
,
Opt. Lett.
36
,
1533
(
2011
).
16.
C.
Ciracì
,
E.
Poutrina
,
M.
Scalora
, and
D. R.
Smith
,
Phys. Rev. B
85
,
201403
R
(
2012
).
17.
C.
Ciracì
,
E.
Poutrina
,
M.
Scalora
, and
D. R.
Smith
,
Phys. Rev. B
86
,
115451
(
2012
).
18.
H.
Aouani
,
M.
Navarro-Cia
,
M.
Rahmani
,
T. P. H.
Sidiropoulos
,
M.
Hong
,
R. F.
Oulton
, and
S. A.
Maier
,
Nano Lett.
12
,
4997
5002
(
2012
).
19.
J. A.
Porto
,
L.
Martın-Moreno
, and
F. J.
Garcıa-Vidal
,
Phys. Rev. B
70
,
081402
R
(
2004
).
20.
G. A.
Wurtz
,
R.
Pollard
, and
A. V.
Zayats
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
057402
(
2006
).
21.
C. J.
Min
,
P.
Wang
,
C. C.
Chen
,
Y.
Deng
,
Y. H.
Lu
,
H.
Ming
,
T. Y.
Ning
,
Y. L.
Zhou
, and
G. Z.
Yang
,
Opt. Lett.
33
,
869
871
(
2008
).
22.
P. Y.
Chen
,
M.
Farhat
, and
A.
Alù
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
105503
(
2011
).
23.
P. Y.
Chen
and
A.
Alù
,
Phys. Rev. B
82
,
235405
(
2010
).
24.
C.
Argyropoulos
,
P. Y.
Chen
,
G.
D’Aguanno
,
N.
Engheta
, and
A.
Alù
,
Phys. Rev. B
85
,
045129
(
2012
).
25.
C.
Argyropoulos
,
P. Y.
Chen
,
F.
Monticone
,
G.
D'Aguanno
, and
A.
Alù
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
263905
(
2012
).
26.
P. Y.
Chen
,
C.
Argyropoulos
, and
A.
Alù
,
Nanophotonics
1
,
221
233
(
2012
).
27.
V. P.
Drachev
,
A. K.
Buin
,
H.
Nakotte
, and
V. M.
Shalaev
,
Nano Lett.
4
,
1535
(
2004
).
28.
J.
Haus
,
R.
Inguva
, and
C.
Bowden
,
Phys. Rev. A
40
,
5729
(
1989
).
29.
I.
Iorsh
,
P.
Belov
,
A.
Zharov
,
I.
Shadrivov
, and
Y.
Kivshar
,
Phys. Rev. A
86
,
023819
(
2012
).
30.
R.
Czaplicki
,
H.
Husu
,
R.
Siikanen
,
J.
Mäkitalo
,
M.
Kauranen
,
J.
Laukkanen
,
J.
Lehtolahti
, and
M.
Kuittinen
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
093902
(
2013
).
31.
B. K.
Canfield
,
S.
Kujala
,
K.
Jefimovs
,
J.
Turunen
, and
M.
Kauranen
,
Opt. Express
12
,
5418
(
2004
).
32.
M. W.
Klein
,
M.
Wegener
,
N.
Feth
, and
S.
Linden
,
Opt. Express
15
,
5238
(
2007
).
33.
A. R.
Davoyan
,
I. V.
Shadrivov
,
A. A.
Zharov
,
D. K.
Gramotnev
, and
Y. S.
Kivshar
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
116804
(
2010
).
34.
J.
Renger
,
R.
Quidant
,
N.
van Hulst
, and
L.
Novotny
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
046803
(
2010
).
35.
J.
Renger
,
R.
Quidant
, and
L.
Novotny
,
Opt. Express
19
,
1777
(
2011
).
36.
G. A.
Wurtz
,
R.
Pollard
,
W.
Hendren
,
G. P.
Wiederrecht
,
D. J.
Gosztola
,
V. A.
Podolskiy
, and
A. V.
Zayats
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
107
(
2011
).
37.
R.
Esteban
,
T. V.
Teperik
, and
J. J.
Greffet
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
026802
(
2010
).
38.
A.
Moreau
,
C.
Ciraci
, and
D. R.
Smith
,
Phys. Rev. B
87
,
045401
(
2013
).
39.
J. B.
Lassiter
,
F.
McGuire
,
J. J.
Mock
,
C.
Ciracì
,
R. T.
Hill
,
B. J.
Wiley
,
A.
Chilkoti
, and
D. R.
Smith
,
Nano Lett.
13
,
5866
(
2013
).
40.
Y.-J.
Lu
,
J.
Kim
,
H.-Y.
Chen
,
C.
Wu
,
N.
Dabidian
,
C. E.
Sanders
,
C.-Y.
Wang
,
M.-Y.
Lu
,
B.-H.
Li
,
X.
Qiu
,
W.-H.
Chang
,
L.-J.
Chen
,
G.
Shvets
,
C.-K.
Shih
, and
S.
Gwo
,
Science
337
,
450
(
2012
).
41.
P.
Nagpal
,
N. C.
Lindquist
,
S. H.
Oh
, and
D. J.
Norris
,
Science
325
,
594
(
2009
).
42.
E. D.
Palik
,
Handbook of Optical Constants of Solids
(
Academic Press
,
New York
,
1985
).
43.
C.
Ciracì
,
R. T.
Hill
,
J. J.
Mock
,
Y.
Urzhumov
,
A. I.
Fernández-Domínguez
,
S. A.
Maier
,
J. B.
Pendry
,
A.
Chilkoti
, and
D. R.
Smith
,
Science
337
,
1072
1074
(
2012
).
44.
Y.
Luo
,
A. I.
Fernández-Domínguez
,
A.
Wiener
,
S. A.
Maier
, and
J. B.
Pendry
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
093901
(
2013
).
45.
C.
Ciracì
,
Y.
Urzhumov
, and
D. R.
Smith
,
JOSA B
30
,
2731
2736
(
2013
).
46.
C.
Ciracì
,
J. B.
Pendry
, and
D. R.
Smith
,
Chem. Phys. Chem.
14
,
1109
1116
(
2013
).
47.
K. J.
Savage
,
M. M.
Hawkeye
,
R.
Esteban
,
A. G.
Borisov
,
J.
Aizpurua
, and
J. J.
Baumberg
,
Nature
491
,
574
577
(
2012
).
48.
J.
Scholl
,
A.
Garcia-Etxarri
,
A. L.
Koh
, and
J. A.
Dionne
,
Nano Lett.
13
,
564
569
(
2013
).
49.
R.
Esteban
,
A. G.
Borisov
,
P.
Nordlander
, and
J.
Aizpurua
,
Nat. Commun.
3
,
825
(
2012
).
50.
M.
Abb
,
P.
Albella
,
J.
Aizpurua
, and
O. L.
Muskens
,
Nano Lett.
11
,
2457
(
2011
).
51.
C.
Ciracì
,
X.
Chen
,
J. J.
Mock
,
F.
McGuire
,
X.
Liu
,
S.-H.
Oh
, and
D. R.
Smith
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
023109
(
2014
).
52.
G.
Decher
,
Science
277
,
1232
1237
(
1997
).
53.
D. J.
Williams
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
23
,
690
(
1984
).
54.
Y. G.
Chen
,
T. S.
Kao
,
B.
Ng
,
X.
Li
,
X. G.
Luo
,
B.
Luk'yanchuk
,
S. A.
Maier
, and
M. H.
Hong
,
Opt. Express
21
,
13691
13698
(
2013
).
55.
R. J.
Walters
,
R. V. A.
van Loon
,
I.
Brunets
,
J.
Schmitz
, and
A.
Polman
,
Nature Mater.
9
,
21
(
2009
).
56.
J. A.
Dionne
,
L. A.
Sweatlock
,
M. T.
Sheldon
,
A. P.
Alivisatos
, and
H.
Atwater
,
IEEE J. Quantum Electron.
16
,
295
306
(
2010
).
57.
J.
Mertens
,
A. L.
Eiden
,
D. O.
Sigle
,
F.
Huang
,
A.
Lombardo
,
Z.
Sun
,
R. S.
Sundaram
,
A.
Colli
,
C.
Tserkezis
,
J.
Aizpurua
,
S.
Milana
,
A. C.
Ferrari
, and
J. J.
Baumberg
,
Nano Lett.
13
,
5033
5038
(
2013
).
58.
E.
Hendry
,
P. J.
Hale
,
J.
Moger
,
A. K.
Savchenko
, and
S. A.
Mikhailov
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
097401
(
2010
).
You do not currently have access to this content.