All dielectric metasurfaces are attracting great attention for their potential to control light reflection and transmission at the nanoscale. Here, we make use of a coupled electric/magnetic dipole formulation for a periodic array of high-refractive-index cylinders to analytically explore the emergence of Fano resonances for both s- and p-polarized waves. Strong Fano resonances with large Q-factors are found in Si nanocylinder metasurfaces as a result of the lattice-induced interplay between electric and magnetic dipole resonances, where the narrow resonances are connected to bound states in the continuum supported by the lattice. The impact on the refractive index of the surrounding medium is analyzed, revealing that such simple all dielectric metasurfaces are suitable for refractive-index sensing devices with figures of merit of two orders of magnitude.

1.
A. E.
Miroshnichenko
,
S.
Flach
, and
Y. S.
Kivshar
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
2257
(
2010
).
2.
B.
Luk’yanchuk
,
N. I.
Zheludev
,
S. A.
Maier
,
N. J.
Halas
,
P.
Nordlander
,
H.
Giessen
, and
C. T.
Chong
,
Nat. Mater.
9
,
707
(
2010
).
3.
M. F.
Limonov
,
M. V.
Rybin
,
A. N.
Poddubny
, and
Y. S.
Kivshar
,
Nat. Photonics
11
,
543
(
2017
).
4.
V.
Giannini
,
A. I.
Fernández-Domínguez
,
S. C.
Heck
, and
S. A.
Maier
,
Chem. Rev.
111
,
3888
(
2011
).
5.
M.
Rahmani
,
B.
Luk’yanchuk
, and
M.
Hong
,
Laser Photon. Rev.
7
,
329
(
2013
).
6.
F.
López-Tejeira
,
R.
Paniagua-Domínguez
,
R.
Rodríguez-Oliveros
, and
J. A.
Sánchez-Gil
,
New J. Phys.
14
,
023035
(
2012
).
7.
P.
Fan
,
Z.
Yu
,
S.
Fan
, and
M. L.
Brongersma
,
Nat. Mater.
13
,
471
(
2014
).
8.
N.
Verellen
,
F.
López-Tejeira
,
R.
Paniagua-Domínguez
,
D.
Vercruysse
,
D.
Denkova
,
L.
Lagae
,
P.
Van Dorpe
,
V. V.
Moshchalkov
, and
J. A.
Sánchez-Gil
,
Nano Lett.
14
,
2322
(
2014
).
9.
D. R.
Abujetas
,
M. A. G.
Mandujano
,
E. R.
Méndez
, and
J. A.
Sánchez-Gil
,
ACS Photonics
4
,
1814
(
2017
).
10.
C.
Wu
,
A. B.
Khanikaev
,
R.
Adato
,
N.
Arju
,
A. A.
Yanik
,
H.
Altug
, and
G.
Shvets
,
Nat. Mater.
11
,
69
(
2011
).
11.
R.
Singh
,
W.
Cao
,
I.
Al-Naib
,
L.
Cong
,
W.
Withayachumnankul
, and
W.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
171101
(
2014
).
12.
Z.-J.
Yang
,
T. J.
Antosiewicz
,
R.
Verre
,
F. J.
García de Abajo
,
S. P.
Apell
, and
M.
Käll
,
Nano Lett.
15
,
7633
(
2015
).
13.
S.
Yuan
,
X.
Qiu
,
C.
Cui
,
L.
Zhu
,
Y.
Wang
,
Y.
Li
,
J.
Song
,
Q.
Huang
, and
J.
Xia
,
ACS Nano
11
,
10704
(
2017
).
14.
A. B.
Evlyukhin
,
C.
Reinhardt
,
A.
Seidel
,
B. S.
Luk’yanchuk
, and
B. N.
Chichkov
,
Phys. Rev. B
82
,
45404
(
2010
).
15.
A.
García-Etxarri
,
R.
Gómez-Medina
,
L. S.
Froufe-Pérez
,
C.
López
,
L.
Chantada
,
F.
Scheffold
,
J.
Aizpurua
,
M.
Nieto-Vesperinas
, and
J. J.
Sáenz
,
Opt. Express
19
,
4815
(
2011
).
16.
A. I.
Kuznetsov
,
A. E.
Miroshnichenko
,
M. L.
Brongersma
,
Y. S.
Kivshar
, and
B.
Luk’yanchuk
,
Science
354
,
aag2472
(
2016
).
17.
Y.
Kivshar
and
A.
Miroshnichenko
,
Opt. Photonics News
28
,
24
(
2017
).
18.
R.
Paniagua-Domínguez
,
F.
López-Tejeira
,
R.
Marqués
, and
J. A.
Sánchez-Gil
,
New J. Phys.
13
,
123017
(
2011
).
19.
R.
Paniagua-Domínguez
,
L. S.
Froufe-Pérez
,
J. J.
Sáenz
, and
J. A.
Sánchez-Gil
,
Phys. Rev. B
91
,
235120
(
2015
).
20.
R.
Paniagua-Domínguez
,
D. R.
Abujetas
, and
J. A.
Sánchez-Gil
,
Sci. Rep.
3
,
1507
(
2013
).
21.
P.
Moitra
,
Y.
Yang
,
Z.
Anderson
,
I. I.
Kravchenko
,
D. P.
Briggs
, and
J.
Valentine
,
Nat. Photonics
7
,
791
(
2013
).
22.
Y.
Yang
,
W.
Wang
,
P.
Moitra
,
I. I.
Kravchenko
,
D. P.
Briggs
, and
J.
Valentine
,
Nano Lett.
14
,
1394
(
2014
).
23.
P.
Moitra
,
B. a.
Slovick
,
Z.
Gang Yu
,
S.
Krishnamurthy
, and
J.
Valentine
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
171102
(
2014
).
24.
P.
Moitra
,
B. A.
Slovick
,
W.
Li
,
I. I.
Kravchencko
,
D. P.
Briggs
,
S.
Krishnamurthy
, and
J.
Valentine
,
ACS Photonics
2
,
692
(
2015
).
25.
S. J.
Kim
,
J.
Park
,
M.
Esfandyarpour
,
E. F.
Pecora
,
P. G.
Kik
, and
M. L.
Brongersma
,
Nano Lett.
16
,
3801
(
2016
).
26.
L.
Li
,
J.
Wang
,
H.
Ma
,
J.
Wang
,
M.
Feng
,
H.
Du
,
M.
Yan
,
J.
Zhang
,
S.
Qu
, and
Z.
Xu
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
122902
(
2016
).
27.
R.
Paniagua-Domínguez
,
Y. F.
Yu
,
A. E.
Miroshnichenko
,
L. A.
Krivitsky
,
Y. H.
Fu
,
V.
Valuckas
,
L.
Gonzaga
,
Y. T.
Toh
,
A. Y. S.
Kay
,
B.
Luk’yanchuk
, and
A. I.
Kuznetsov
,
Nat. Commun.
7
,
10362
(
2016
).
28.
S.
Liu
,
A.
Vaskin
,
S.
Addamane
,
B.
Leung
,
M.-C.
Tsai
,
Y.
Yang
,
P. P.
Vabishchevich
,
G. A.
Keeler
,
G.
Wang
,
X.
He
,
Y.
Kim
,
N. F.
Hartmann
,
H.
Htoon
,
S. K.
Doorn
,
M.
Zilk
,
T.
Pertsch
,
G.
Balakrishnan
,
M. B.
Sinclair
,
I.
Staude
, and
I.
Brener
,
Nano Lett.
18
,
6906
(
2018
).
29.
D. R.
Abujetas
,
J. A.
Sánchez-gil
, and
J. J.
Sáenz
,
Opt. Express
26
,
31523
(
2018
).
30.
Z.
Zhou
,
J.
Li
,
R.
Su
,
B.
Yao
,
H.
Fang
,
K.
Li
,
L.
Zhou
,
J.
Liu
,
D.
Stellinga
,
C. P.
Reardon
,
T. F.
Krauss
, and
X.
Wang
,
ACS Photonics
4
,
544
(
2017
).
31.
F.
Aieta
,
M. A.
Kats
,
P.
Genevet
, and
F.
Capasso
,
Science
347
,
1342
(
2015
).
32.
M.
Khorasaninejad
,
W. T.
Chen
,
R. C.
Devlin
,
J.
Oh
,
A. Y.
Zhu
, and
F.
Capasso
,
Science
352
,
1190
(
2016
).
33.
Y.
Yang
,
I. I.
Kravchenko
,
D. P.
Briggs
, and
J.
Valentine
,
Nat. Commun.
5
,
5753
(
2014
).
34.
D. C.
Marinica
,
A. G.
Borisov
, and
S. V.
Shabanov
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
183902
(
2008
).
35.
E. N.
Bulgakov
and
A. F.
Sadreev
,
Phys. Rev. A
90
,
53801
(
2014
).
36.
D. R.
Abujetas
,
A.
Barreda
,
F.
Moreno
,
J. J.
Saenz
,
A.
Litman
,
J.-M.
Geffrin
, and
J. A.
Sanchez-Gil
, e-print arxiv:1902.07148 (2019).
37.
B.
García-Cámara
,
R.
Gómez-Medina
,
J. J.
Sáenz
, and
B.
Sepúlveda
,
Opt. Express
21
,
23007
(
2013
).
38.
Y.
Wang
,
B.
Gao
,
K.
Zhang
,
K.
Yuan
,
Y.
Wan
,
Z.
Xie
,
X.
Xu
,
H.
Zhang
,
Q.
Song
,
L.
Yao
,
X.
Fang
,
Y.
Li
,
W.
Xu
,
J.
Zhang
, and
L.
Dai
,
ACS Photonics
4
,
688
(
2017
).
39.
D.
Visser
,
B. D.
Choudhury
,
I.
Krasovska
, and
S.
Anand
,
Opt. Express
25
,
12171
(
2017
).
40.
K. A.
Willets
and
R. P.
Van Duyne
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
58
,
267
(
2007
).
41.
K. M.
Mayer
and
J. H.
Hafner
,
Chem. Rev.
111
,
3828
(
2011
).
42.
I. M.
Pryce
,
Y. A.
Kelaita
,
K.
Aydin
, and
H. A.
Atwater
,
ACS Nano
5
,
8167
(
2011
).
43.
F.
López-Tejeira
,
R.
Paniagua-Domínguez
, and
J. A.
Sánchez-Gil
,
ACS Nano
6
,
8989
(
2012
).
44.
E.
Baquedano
,
M. U.
González
,
R.
Paniagua-Domínguez
,
J. A.
Sánchez-Gil
, and
P. A.
Postigo
,
Opt. Express
25
,
15967
(
2017
).
45.
A.
Tittl
,
A.
Leitis
,
M.
Liu
,
F.
Yesilkoy
,
D.-Y.
Choi
,
D. N.
Neshev
,
Y. S.
Kivshar
, and
H.
Altug
,
Science
360
,
1105
(
2018
).
46.
Y.
Yang
,
A. E.
Miroshnichenko
,
S. V.
Kostinski
,
M.
Odit
,
P.
Kapitanova
,
M.
Qiu
, and
Y. S.
Kivshar
,
Phys. Rev. B
95
,
165426
(
2017
).
47.
M.
Laroche
,
S.
Albaladejo
,
R.
Gómez-Medina
, and
J. J.
Sáenz
,
Phys. Rev. B
74
,
245422
(
2006
).
48.
Y.
Chen
,
Y.
Zhang
, and
A.
Femius Koenderink
,
Opt. Express
25
,
21358
(
2017
).
49.
G.
Brönstrup
,
N.
Jahr
,
C.
Leiterer
,
A.
Csáki
,
W.
Fritzsche
, and
S.
Christiansen
,
ACS Nano
4
,
7113
(
2010
).
50.
D.
Sell
,
J.
Yang
,
S.
Doshay
,
K.
Zhang
, and
J. A.
Fan
,
ACS Photonics
3
,
1919
(
2016
).
51.
M. V.
Rybin
,
D. S.
Filonov
,
P. A.
Belov
,
Y. S.
Kivshar
, and
M. F.
Limonov
,
Sci. Rep.
5
,
8774
(
2015
).
52.
T. K.
Fang
and
T. N.
Chang
,
Phys. Rev. A
57
,
4407
(
1998
).
53.
K.
Koshelev
,
S.
Lepeshov
,
M.
Liu
,
A.
Bogdanov
, and
Y.
Kivshar
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
193903
(
2018
).
54.
D. R.
Abujetas
,
N.
van Hoof
,
S.
ter Huurne
,
J. G.
Rivas
, and
J. A.
Sánchez-Gil
, e-print arxiv:1901.03122 (2019).
55.
A.
Polman
and
J.
van de Groep
,
Opt. Express
21
,
26285
(
2013
).
56.
Z.-J.
Yang
,
Q.
Zhao
, and
H.
Jun
,
J. Appl. Phys.
125
,
063103
(
2019
).
You do not currently have access to this content.