eLight | 自旋軌道鎖定的可調諧雙曲極化激元渦旋

2022-09-07 20:06

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

撰稿 | NJU 唐江山

| 導讀 |

近日，紐約城市大學 Andrea Alù 團隊及其合作者報道了擁有可重構拓撲荷的中紅外雙曲極化激元渦旋的產生和觀測。

研究人員利用阿基米德螺旋形金盤來定制六方氮化硼（一種典型范德瓦爾斯晶體）中雙曲極化激元的自旋軌道相互作用，從而實現中紅外波段、深度亞波長、可調諧雙曲聲子極化激元渦旋（見圖1）。其攜帶的拓撲荷在激發自旋、激發結構的幾何螺旋構型、雙曲聲子極化色散以及激元模式之間復雜的相互作用下擁有強可重構性。

圖1：通過m=4的Au螺旋盤激發的氮化硼薄片的極化激元渦旋、色散、模擬和實驗結果

該成果揭示了如將雙曲聲子極化激元渦旋與單光子發射器、片上光學技術、傳感和膠體科學相結合，聲子極化激元的應用能擴展到量子信息處理、片上通訊、超分辨成像和微納顆粒操控中。

該文章近日發表在《eLight》，題為“Spin-orbit-locked hyperbolic polariton vortices carrying reconfigurable topological charges”，Mingsong Wang, Guangwei Hu為論文的共同第一作者， Andrea Alù 教授為論文通訊作者。

由于擁有奇異的光與物質相互作用，低維材料成為了一個發展各種傳統和非傳統光子技術的新興平臺。其中各向異性的二維范德華晶體能支持雙曲極化激元，從而作為一種天然的低維材料在下一代納米光子學的研究與應用中有特別的前景。

到目前為止，對雙曲極化激元的操控主要限于振幅控制，而增加新的自由度有潛力極大地擴展極化激元在信息處理和傳輸、量子通訊、超分辨成像和傳感等中的應用。對振幅以外的自由度的控制已經在自由空間光子和表面等離子激元技術上開辟了新的機會。例如，可見光波段的表面等離激元最近被探索用來控制相位、自旋和軌道角動量(OAM)作為獨立的自由度。

研究發現等離激元的 OAM 可以選擇性地與激發的自旋耦合，以實現自旋軌道相互作用和其他自旋控制的等離激元現象，這為低能耗信息處理和計算開辟了新的機遇。將這些探索擴展到中紅外范圍的極化激元是令人興奮的：

(1)相比等離激元，極化激元的光學損耗顯著減少；

(2)其高的電磁場約束性利于實現片上通信和傳感；

(3) 能開啟低能信息傳輸和處理的新形式；

(4)擁有更多的自由度，比如聲子極化激元的模式等。

與存在于界面的等離激元相比，多數聲子極化激元基于體極化激元模式，這使得聲子極化激元渦旋的觀測乃至激發都變得困難。

在該研究中，研究團隊將雙曲聲子極化激元耦合到特定的納米結構、并利用精密的理論設計和實空間近場納米成像來解決這些挑戰(如圖1)。團隊成員進一步研究了該系統中的自旋-軌道相互作用，實現了對雙曲聲子極化激元前所未有的控制，即精確生成納米級渦旋以及實現了拓撲荷的自旋軌道鎖定（見圖2）。

圖2：l=1和2時m=1,2和4時聲子極化激元渦旋相位積累與方位角的關系，以及m= 1,2時極化激元渦旋的金盤圖像和色散。

該成果顯示將天然極性范德華晶體——氮化硼薄片與金渦旋結構結合，自旋軌道鎖定的雙曲極化激元渦旋能夠在該器件中激發。研究團隊進一步證明該器件可廣泛地生成可重構的拓撲荷，并展示出奇異的極化激元特征，包括自旋-軌道相互作用和納米聚焦。所展示的極化激元渦旋可以利用多種自由度來實現高度可調性，這些自由度包括激發自旋、極化激元發射器的幾何形狀以及氮化硼薄片的雙曲特性,例如懸臂的數量：m 和軌道拓撲荷：l（見圖2和圖3）。