Strong resonant light scattering by individual spherical Si nanoparticles is experimentally demonstrated, revealing pronounced resonances associated with the excitation of magnetic and electric modes in these nanoparticles. It is shown that the low-frequency resonance corresponds to the magnetic dipole excitation. Due to high permittivity, the magnetic dipole resonance is observed in the visible spectral range for Si nanoparticles with diameters of ∼200 nm, thereby opening a way to the realization of isotropic optical metamaterials with strong magnetic responses in the visible region.

Abstract Nonradiating current configurations attract attention of physicists for many years as possible models of stable atoms. One intriguing example of such a nonradiating source is known as ‘anapole’. An anapole mode can be viewed as a composition of electric and toroidal dipole moments, resulting in destructive interference of the radiation fields due to similarity of their far-field scattering patterns. Here we demonstrate experimentally that dielectric nanoparticles can exhibit a radiationless anapole mode in visible. We achieve the spectral overlap of the toroidal and electric dipole modes through a geometry tuning, and observe a highly pronounced dip in the far-field scattering accompanied by the specific near-field distribution associated with the anapole mode. The anapole physics provides a unique playground for the study of electromagnetic properties of nontrivial excitations of complex fields, reciprocity violation and Aharonov–Bohm like phenomena at optical frequencies.

Periodic structures of spherical silicon particles are analyzed using the coupled-dipole equations for studying optical response features and local electromagnetic fields. The model takes into account the electric and magnetic dipole moments of the particles embedded in a homogeneous dielectric medium. Particles with radius of 65 nm and larger are considered. It is shown that, due to the large permittivity of silicon, the first two Mie resonances are located in the region of visible light, where the absorption is small and the extinction is basically determined by scattering. The main contribution is given by the induced magnetic and electric dipoles of the particles. Thus, in contrast to metal particle arrays, here is a possibility to combine separately either the electric or magnetic dipole resonances of individual particles with the structural features. As a result, extinction spectra can have additional narrow resonant peaks connected with multiple light scattering by the magnetic dipoles and displaying a Fano-type resonant profile. Reflection and transmission properties of the Si particle arrays are investigated and the conditions of low light reflection and transmission by the particle arrays are discussed, as well as the applicability of the dipole approach. It is shown that the light transmission of finite-size arrays of Si particles can be significantly suppressed at the conditions of the particle magnetic dipole resonance. It is demonstrated that, using resonant conditions, one can separately control the enhancements of local electric and magnetic fields in the structures.

Silicon nanoparticles with sizes of a few hundred nanometres exhibit unique optical properties due to their strong electric and magnetic dipole responses in the visible range. Here we demonstrate a novel laser printing technique for the controlled fabrication and precise deposition of silicon nanoparticles. Using femtosecond laser pulses it is possible to vary the size of Si nanoparticles and their crystallographic phase. Si nanoparticles produced by femtosecond laser printing are initially in an amorphous phase (a-Si). They can be converted into the crystalline phase (c-Si) by irradiating them with a second femtosecond laser pulse. The resonance-scattering spectrum of c-Si nanoparticles, compared with that of a-Si nanoparticles, is blue shifted and its peak intensity is about three times higher. Resonant optical responses of dielectric nanoparticles are characterized by accumulation of electromagnetic energy in the excited modes, which can be used for the realization of nanoantennas, nanolasers and metamaterials. Silicon nanoparticles are of interest for their optical properties, for example, in light scattering. Here, Zywietz et al. achieve the laser printing of silicon nanoparticles on a substrate at predefined positions, and with control over their crystalline phase.

All-dielectric nanophotonics is an exciting and rapidly developing area of nano-optics that utilizes the resonant behavior of high-index low-loss dielectric nanoparticles to enhance light-matter interaction at the nanoscale.When experimental implementation of a specific all-dielectric nanostructure is desired, two crucial factors have to be considered: the choice of a high-index material and a fabrication method.The degree to which various effects can be enhanced relies on the dielectric response of the chosen material as well as the fabrication accuracy.Here, we provide an overview of available high-index materials and existing fabrication techniques for the realization of all-dielectric nanostructures.We compare performance of the chosen materials in the visible and IR spectral ranges in terms of scattering efficiencies and Q factors of the magnetic Mie resonance.Methods for all-dielectric nanostructure fabrication are discussed and their advantages and disadvantages are highlighted.We also present an outlook for the search for better materials with higher refractive indices and novel fabrication methods that will enable low-cost manufacturing of optically resonant high-index nanoparticles.We believe that this information will be valuable across the field of nanophotonics and particularly for the design of resonant all-dielectric nanostructures.

In the framework of the discrete dipole approximation we develop a theoretical approach that allows the analysis of the role of multipole modes in the extinction and scattering spectra of arbitrary shaped nanoparticles. The main attention is given to the first multipoles including magnetic dipole and electric quadrupole moments. The role of magnetic quadrupole and electric octupole modes is also discussed. The method is applied to nonspherical Si nanoparticles with resonant multipole responses in the visible optical range, allowing a decomposition of single extinction (scattering) peaks into their constituent multipole contributions. It is shown by numerical simulations that it is possible to design silicon particles for which the electric dipole and magnetic dipole resonances are located at the same wavelength under certain propagation directions of incident light, providing new possibilities in metamaterial developments.

The application of Cartesian multipoles in irreducible representations provides the possibility to get explicit contributions of the toroidal multipole terms in the extinction and scattering power without the introduction of special form factors. In the framework of the Cartesian multipoles, we obtained multipole decomposition (up to the third order) of the induced polarization (current) inside an arbitrarily shaped scatterer (nanoparticle). The third-order decomposition includes the toroidal dipole, magnetic quadrupole, electric octupole terms, and also nonradiating terms. The corresponding multipole decomposition of the scattering cross section, taking into account the electric octupole term, is derived and compared with the multipole decomposition of the extinction cross section obtained using the optical theorem. We show that the role of multipoles in the optical theorem (light extinction) and scattering by arbitrarily shaped nanoparticles can be different. This can result in seemingly paradoxical conclusions with respect to the appearance of multipole contributions in the scattering and extinction cross sections. This fact is especially important for absorptionless nanoparticles, for which the scattering cross section can be calculated using the optical theorem, because in this case extinction is solely determined by scattering. Demonstrative results concerning the role of third-order multipoles in the resonant optical response of high-refractive-index dielectric nanodisks, with and without a through hole at the center, are presented. It is shown that the optical theorem results in a negligible role of the third-order multipoles in the extinction cross sections, whereas these multipoles provide the main contribution in the scattering cross sections.

A novel method for high-speed fabrication of large scale periodic arrays of nanoparticles (diameters 40-200 nm) is developed. This method is based on a combination of nanosphere lithography and laser-induced transfer. Fabricated spherical nanoparticles are partially embedded into a polymer substrate. They are arranged into a hexagonal array and can be used for sensing applications. An optical sensor with the sensitivity of 365 nm/RIU and the figure of merit of 21.5 in the visible spectral range is demonstrated.

To achieve efficient light control at subwavelength dimensions, plasmonic and all-dielectric nanoparticles have been utilized both as a single element as well as in the arrays. Here we study 2D periodic nanoparticle arrays (metasurfaces) that support lattice resonances near the Rayleigh anomaly due to the electric dipole (ED) and magnetic dipole (MD) resonant coupling between the nanoparticles. Silicon and core-shell particles are considered. We demonstrate for the first time that, choosing of lattice periods independently in each mutual-perpendicular direction, it is possible to achieve a full overlap between the ED-lattice resonance and MD resonances of nanoparticles in certain spectral range and to realize the resonant lattice Kerker effect (resonant suppression of the scattering or reflection). At the effect conditions, the strong suppression of light reflectance in the structure is appeared due to destructive interference between electromagnetic waves scattered by ED and MD moments of every nanoparticle in the backward direction with respect to the incident light wave. Influence of the array size on the revealed reflectance and transmittance behavior is discussed. The resonant lattice Kerker effect based on the overlap of both ED and MD lattice resonances is also demonstrated.

Abstract All‐dielectric nanophotonics attracts ever increasing attention nowadays due to the possibility of controlling and configuring light scattering on high‐index semiconductor nanoparticles. It opens a room of opportunities for designing novel types of nanoscale elements and devices, and paves the way for advanced technologies of light energy manipulation. One of the exciting and promising prospects is associated with utilizing the so‐called toroidal moment, being the result of poloidal currents excitation, and anapole states, corresponding to the interference of dipole and toroidal electric moments. Here, higher‐order toroidal moments of both types (up to the electric octupole toroidal moment) are presented and investigated in detail via the direct Cartesian multipole decomposition allowing new near‐ and far‐field configurations to be obtained. Poloidal currents can be associated with vortex‐like distributions of the displacement currents inside nanoparticles, revealing the physical meaning of the high‐order toroidal moments and the convenience of the Cartesian multipoles as an auxiliary tool for analysis. High‐order nonradiating anapole states accompanied by the excitation of intense near‐fields are demonstrated. It is believed that the results are of high importance for both the fundamental understanding of light scattering by high‐index particles and a variety of nanophotonics applications and light governing on nanoscale.