eLight | 自旋軌道鎖定的可調(diào)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(dǎo)讀 |

近日，紐約城市大學(xué) Andrea Alù 團隊及其合作者報道了擁有可重構(gòu)拓撲荷的中紅外雙曲極化激元渦旋的產(chǎn)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(xiàn)中紅外波段、深度亞波長、可調(diào)諧雙曲聲子極化激元渦旋（見圖1）。其攜帶的拓撲荷在激發(fā)自旋、激發(fā)結(jié)構(gòu)的幾何螺旋構(gòu)型、雙曲聲子極化色散以及激元模式之間復(fù)雜的相互作用下?lián)碛袕娍芍貥?gòu)性。

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

該成果揭示了如將雙曲聲子極化激元渦旋與單光子發(fā)射器、片上光學(xué)技術(shù)、傳感和膠體科學(xué)相結(jié)合，聲子極化激元的應(yīng)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(fā)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(zhì)相互作用，低維材料成為了一個發(fā)展各種傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)光子技術(shù)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(xué)的研究與應(yīng)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(yīng)用。對振幅以外的自由度的控制已經(jīng)在自由空間光子和表面等離子激元技術(shù)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(fā)現(xiàn)等離激元的 OAM 可以選擇性地與激發(fā)的自旋耦合，以實現(xiàn)自旋軌道相互作用和其他自旋控制的等離激元現(xiàn)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(xué)損耗顯著減少；

(2)其高的電磁場約束性利于實現(xiàn)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(shù)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(fā)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(jié)構(gòu)、并利用精密的理論設(shè)計和實空間近場納米成像來解決這些挑戰(zhàn)(如圖1)。團隊成員進一步研究了該系統(tǒng)中的自旋-軌道相互作用，實現(xiàn)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(xiàn)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(guān)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(jié)構(gòu)結(jié)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(fā)。研究團隊進一步證明該器件可廣泛地生成可重構(gòu)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(xiàn)高度可調(diào)性，這些自由度包括激發(fā)自旋、極化激元發(fā)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(shù)量：m 和軌道拓撲荷：l（見圖2和圖3）。