We study in detail a novel type of optical nanoantennas made of high-permittivity low-loss dielectric particles. In addition to the electric resonances, the dielectric particles exhibit very strong magnetic resonances at the nanoscale, that can be employed in the Yagi-Uda geometry for creating highly efficient optical nanoantennas. By comparing plasmonic and dielectric nanoantennas, we demonstrate that all-dielectric nanoantennas may exhibit better radiation efficiency also allowing more compact design.

Twisted two-dimensional bi-layers offer exquisite control on the electronic bandstructure through the interlayer rotation and coupling, enabling magic-angle flat-band superconductivity and moir\'e excitons. Here, we demonstrate how analogous principles, combined with large anisotropy, enable extreme control and manipulation of the photonic dispersion of phonon polaritons (PhPs) in van der Waals (vdW) bi-layers. We experimentally observe tunable topological transitions from open (hyperbolic) to closed (elliptic) dispersion contours in twisted bi-layered {\alpha}-MoO3 at photonic magic angles, induced by polariton hybridization and robustly controlled by a topological quantity. At these transitions the bilayer dispersion flattens, exhibiting low-loss tunable polariton canalization and diffractionless propagation with resolution below {\lambda}0/40. Our findings extend twistronics and moir\'e physics to nanophotonics and polaritonics, with great potential for nano-imaging, nanoscale light propagation, energy transfer and quantum applications.

Frequency conversion processes, such as second- and third-harmonic generation, are commonly realized in nonlinear optics, offering opportunities for applications in photonics, chemistry, material science and biosensing. Given the inherently weak nonlinear response of natural materials, optically large samples and complex phase-matching techniques are typically required to realize significant nonlinear responses. To produce similar effects in much smaller volumes, current research has been devoted to the quest of synthesizing novel materials with enhanced optical nonlinearities at moderate input intensities. In particular, several approaches to engineer the nonlinear properties of artificial materials, metamaterials and metasurfaces have been introduced. Here, we review the current state of the art in the field of small-scale nonlinear optics, with special emphasis on high-harmonic generation from ultrathin metasurfaces based on plasmonic and high-index dielectric resonators, as well as semiconductor-loaded plasmonic metasurfaces. In this context, we also discuss recent advances in controlling the optical wavefront of generated nonlinear waves using metasurfaces. Finally, we compare viable approaches to enhance nonlinearities in ultrathin metasurfaces, and we offer an outlook on the future development of this exciting field of research.

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.

Nanophotonics has garnered intensive attention due to its unique capabilities in molding the flow of light in the subwavelength regime. Metasurfaces (MSs) and photonic integrated circuits (PICs) enable the realization of mass-producible, cost-effective, and highly efficient flat optical components for imaging, sensing, and communications. In order to enable nanophotonics with multi-purpose functionalities, chalcogenide phase-change materials (PCMs) have been introduced as a promising platform for tunable and reconfigurable nanophotonic frameworks. Integration of non-volatile chalcogenide PCMs with unique properties such as drastic optical contrasts, fast switching speeds, and long-term stability grants substantial reconfiguration to the more conventional static nanophotonic platforms. In this review, we discuss state-of-the-art developments as well as emerging trends in tunable MSs and PICs using chalcogenide PCMs. We outline the unique material properties, structural transformation, electro-optic, and thermo-optic effects of well-established classes of chalcogenide PCMs. The emerging deep learning-based approaches for the optimization of reconfigurable MSs and the analysis of light-matter interactions are also discussed. The review is concluded by discussing existing challenges in the realization of adjustable nanophotonics and a perspective on the possible developments in this promising area.

The scattering of electromagnetic waves lies at the heart of most experimental techniques over nearly the entire electromagnetic spectrum, ranging from radio waves to optics and x rays. Hence, deep insight into the basics of scattering theory and an understanding of the peculiar features of electromagnetic scattering are necessary for the correct interpretation of experimental data and an understanding of the underlying physics. Recently, a broad spectrum of exceptional scattering phenomena attainable in suitably engineered structures has been predicted and demonstrated. Examples include bound states in the continuum, exceptional points in parity–time (PT)-symmetrical non-Hermitian systems, coherent perfect absorption, virtual perfect absorption, nontrivial lasing, nonradiating sources, and others. In this paper, we establish a unified description of such exotic scattering phenomena and show that the origin of all these effects can be traced back to the properties of poles and zeros of the underlying scattering matrix. We provide insights on how managing these special points in the complex frequency plane provides a powerful approach to tailor unusual scattering regimes.

Recent advances in twistronics of low-dimensional materials, such as bilayer graphene and transition-metal dichalcogenides, have enabled a plethora of unusual phenomena associated with moir\'e physics. However, several of these effects require demanding manipulation of superlattices at the atomic scale, such as the careful control of rotation angle between two closely spaced atomic lattices. Here, we study moir\'e hyperbolic plasmons in pairs of hyperbolic metasurfaces (HMTSs), unveiling analogous phenomena at the mesoscopic scale. HMTSs are known to support confined surface waves collimated towards specific directions determined by the metasurface dispersion. By rotating two evanescently coupled HMTSs with respect to one another, we unveil rich dispersion engineering, topological transitions at magic angles, broadband field canalization, and plasmon spin-Hall phenomena. These findings open remarkable opportunities to advance metasurface optics, enriching it with moir\'e physics and twistronic concepts.

Phase-change materials (PCMs) offer a compelling platform for active metaoptics, owing to their large index contrast and fast yet stable phase transition attributes. Despite recent advances in phase-change metasurfaces, a fully integrable solution that combines pronounced tuning measures, i.e., efficiency, dynamic range, speed, and power consumption, is still elusive. Here, we demonstrate an in situ electrically driven tunable metasurface by harnessing the full potential of a PCM alloy, Ge2Sb2Te5 (GST), to realize non-volatile, reversible, multilevel, fast, and remarkable optical modulation in the near-infrared spectral range. Such a reprogrammable platform presents a record eleven-fold change in the reflectance (absolute reflectance contrast reaching 80%), unprecedented quasi-continuous spectral tuning over 250 nm, and switching speed that can potentially reach a few kHz. Our scalable heterostructure architecture capitalizes on the integration of a robust resistive microheater decoupled from an optically smart metasurface enabling good modal overlap with an ultrathin layer of the largest index contrast PCM to sustain high scattering efficiency even after several reversible phase transitions. We further experimentally demonstrate an electrically reconfigurable phase-change gradient metasurface capable of steering an incident light beam into different diffraction orders. This work represents a critical advance towards the development of fully integrable dynamic metasurfaces and their potential for beamforming applications.

Abstract The Purcell effect is defined as a modification of the spontaneous emission rate of a quantum emitter at the presence of a resonant cavity. However, a change of the emission rate of an emitter caused by an environment has a classical counterpart. Any small antenna tuned to a resonance can be described as an oscillator with radiative losses and the effect of the environment on its radiation can be modeled and measured in terms of the antenna radiation resistance, similar to a quantum emitter. We exploit this analogue behavior to develop a general approach for calculating the Purcell factors of different systems and various frequency ranges including both electric and magnetic Purcell factors. Our approach is illustrated by a general equivalent scheme and it allows resenting the Purcell factor through the continuous radiation of a small antenna at the presence of an electromagnetic environment.