等離激元超表面產生雙自旋通道晶格光場

2022-01-23 Nanophotonics Official

圖1 雙自旋通道晶格光場的產生

 

1. 導讀

作為由亞波長結構組成的二維功能材料，超表面在與光相互作用過程中會產生強烈的自旋-軌道相互作用（SOI）。在圓偏振光照射下，超表面將同時產生與入射偏振態相同的圓偏振分量光場，和與入射偏振態相反並攜帶幾何（PB）相位的圓偏振分量光場，在此分別稱它們為入射自旋分量和轉換自旋分量。其中後者被廣泛應用於超表面全息、矢量光束、超透鏡、偏振轉換器件等。而在此之前的研究中，入射自旋分量通常作為背景噪聲不可控地散射在自由空間而被忽視。

針對這一問題，近日山東師範大學程傳福教授團隊在Nanophotonics發表最新文章，提出了利用超表面實現雙自旋通道光場的調控機制，其中入射自旋分量攜帶的相位通過動力學相位控制，轉化自旋分量攜帶的相位通過動力學相位和幾何相位聯合控制。研究人員基於多光束幹涉原理設計了等離激元超表面，分別在其透射光場的兩自旋分量通道中實現了形態獨立可調的晶格光場，證明了該機制的可行性。

2. 研究背景

光的自旋-軌道相互作用描述了光子自旋與光波傳播軌跡和空間分布之間的相互作用。超表面的非均勻各向異性特質會引起光自旋角動量和軌道角動量之間的強烈耦合，因此可以通過有效地控制光的偏振自由度從而可控地形成空間分布不均勻的亞波長尺度光場。超表面在SOI過程中產生的PB相位賦予了其強大的光波前重塑能力，已經實現了多功能平面光學器件，如超透鏡、全息和光學渦旋相位板、以及偏振操縱和檢測器件等。

將動力學相位與PB相位相結合的超表面是一種新穎且有效的超表面，其產生的SOI效應可以實現在不同偏振光入射下，對轉換自旋分量光場的獨立控制。這顯著擴展了超表面的應用範圍，例如偏振復用全息和矢量全息，自旋-軌道角動量轉換(SOC)的矢量光束生成器件，全斯託克斯偏振相機設計，消色差成像和透鏡等。不同於轉換自旋分量光場，超表面產生的入射自旋分量光場只能由動力學相位調控，而不受控於PB相位。因此，適當設計超表面的動力學相位分布，可以使入射自旋分量成為區別於轉化自旋分量的獨立通道，從而產生與轉化自旋分量不同的光場分布。


3. 創新研究

為了能在入射自旋和轉換自旋兩個分量通道中操縱光場，研究者設計了基於SOI效應的等離激元超表面，並以生成晶格光場為例進行了實驗驗證。圖2為超表面示意圖，6個由納米縫陣列組成的圓形孔徑均勻排列於螺旋線上。在圓偏振光照射下，這些圓形孔徑的排列為多光束幹涉提供了幾何構型，而孔徑中納米縫的SOI效應將為透射波場提供兩個自旋分量通道，兩通道內的光場具有不同的光強和相位分布。圓孔沿螺旋線的排布同時為兩個自旋分量引入動力學相位，通過調整螺旋線的螺距（𝛿r = mλspp），可以將入射自旋分量通道中的晶格調整成所需形態；考慮到幾何相位與動力學相位的結合，每個圓孔內的納米縫陣列的取向角被人為設計以聯合調控光束之間的相位差，以此將轉換自旋分量通道中的晶格調整成所需形態。此外，當入射圓偏振光的自旋態由σ反轉成為−σ，轉換自旋分量的光強分布會發生改變，而入射自旋分量的光強分布不會發生改變，證明了轉換自旋分量通道中晶格形態的偏振依賴性。

                           

圖2 超表面示意圖

由於晶格形態與超表面中螺旋線螺距（𝛿r = mλspp）有關，研究者分別設計了m = 0及m = 1的兩個超表面樣品A、B，各樣品皆用左旋圓偏振光（LCP）和右旋圓偏振光（RCP）分別照射。圖3為模擬結果。樣品A在LCP和RCP的照射下，其轉換自旋分量通道中分別產生了晶格階數l = ±2的Kagome晶格，兩晶格雖然形態相同但相位相反，揭示了超表面在相反圓偏振光照射下產生的對稱SOI效應；同時，入射自旋分量通道中也分別產生了兩個晶格階數同為l = 0的Hexagonal晶格，驗證了該超表面產生的入射自旋分量是區別於轉化自旋分量的獨立通道，具有與轉化自旋分量不同的光場分布。同樣地，樣品B在LCP和RCP的分別照射下，其入射自旋分量通道中產生了兩個晶格階數同為l = 1的Hexagonalvortex晶格；轉換自旋通道分別產生了晶格階數為l = ＋3的Honeycomb晶格和l = −1的Hexagonalvortex晶格，揭示了超表面在相反圓偏振光照射下產生的非對稱SOI效應。

圖3 超表面樣品產生雙自旋通道晶格光場仿真結果

實驗上，採用馬赫-曾德爾幹涉儀測量實驗結果（如圖4（a）所示）。波長為532nm的圓偏振光從樣品基底一側照射樣品，空間重疊的雙自旋通道晶格光場的強度分布由顯微鏡物鏡（MO）收集和放大，最後被sCMOS相機記錄。由四分之一波片（QWP2）和偏振片（LP）組成的偏振濾波器被放置於sCMOS之前，以記錄被選擇性分離出來的某一自旋通道光場的信息。實驗結果與仿真結果符合的較好。

圖4 （a）超表面樣品產生雙自旋通道晶格光場實驗裝置。（b）實驗結果。

4. 應用與展望

該研究團隊提出的利用超表面實現雙自旋通道透射光場的調控機制，為超表面調控納米尺度光場提供了更高的自旋自由度。本項工作有望為集成光子系統、拓撲光子學和超薄量子器件等多研究領域應用帶來新思路。

該研究成果以「Plasmonic Metasurfaces Manipulating the Two Spin Components from Spin-orbit Interactions of Light with Lattice Field Generations」為題在線發表在Nanophotonics。

本文作者分別是Ruirui Zhang, Manna Gu, Rui Sun, Xiangyu Zeng, Yuqin Zhang, Yu Zhang, Chen Cheng, Zijun Zhan, Chao Chen, Xiaorong Ren, Changwei He, Chunxiang Liu, Chuanfu Cheng，其中Ruirui Zhang（張瑞瑞）為第一作者，Chuanfu Cheng（程傳福）教授為通訊作者。山東師範大學為第一單位。

相關焦點

  • Nature Nanotechnology | 三星:全固態超構表面3D雷射雷達
    研究人員從被動超構表面的研究，拓展到可調控透射、反射光的振幅、相位和偏振的靜態超構表面，再演變到後來能以超小尺寸實現超快波前操縱和寬視場的有源超構表面。目前的研究大都採用透明導電氧化物、相變材料、半導體、二維（2D）材料、微機械致動器、頻率梯度源和液晶等各種可調材料來進行超構表面的設計。這些有源超構表面可以時間依賴的方式對光波前進行操縱。
  • 反射式超構表面實現自旋角動量到軌道角動量的任意轉換
    （Orbital angular momentum，簡稱OAM）的轉換方法，從而以高效的反射型各向異性單元為基礎，通過特定的空間分布設計，在微波段利用左旋和右旋圓極化電磁波產生獨立、任意的渦旋電磁波束，為實現更加靈活的SAM到OAM轉換提供了新的有效途徑。
  • 自旋卡諾電子學研究進展
    如圖1 所示，這樣的鐵磁—非磁(FM—NM)界面，可以把輸運載流子依自旋向上和向下分為多子和少子，它們通過各自獨立的通道進行輸運，它們也有著各自的電導可以記為σs ，電化學勢記為μs ，其中s=↑，↓。對於某個節點， 不考慮自旋， 電子的電化學勢便是μc = (μ↑+ μ↓) /2 ，另外，自旋積累代表自旋向上和向下的電子的勢差μs = μ↑ - μ↓ 。它的總電導便是σ = σ↑ + σ↓ 。
  • 聲學系統中的量子自旋霍爾效應
    聲自旋相關的單向聲傳輸4. 受拓撲保護的聲傳輸前面的推文中已經向大家展示過了二維系統中的聲谷霍爾效應以及彈性波超材料中受拓撲保護的邊界態傳輸，本文以南京大學何程老師2016年的文章(C. He, et al. Nature Physics. 12, 1124 (2016))為例向大家簡單介紹一下二維系統中的聲學類量子自旋霍爾效應。
  • 行業首創 | 自旋飛行器,無人機的未來福音?
    [宇辰導讀]目前還屬於科創項目，離真正的「上市」還有一段距離。見過四旋翼六旋翼N旋翼無人機的你，是否見過自旋飛行器的模樣？展會？新聞報導？是的，你應該都沒見過。因為，這是幾個來自北航的學生剛剛申請專利的新品，目前還屬於科創項目，離真正的「上市」還有一段距離。
  • 前沿播報 | 世界首個超材料「鏡像」量子比特、衛星通信光學數據機、聲波製造超微型光二極體、室溫下將自旋信息轉化為光信號…
    ，創造了世界上第一個基於超材料的「鏡像」量子比特(mirror qubit)，它可以用作超導電子線路的控制元件。美國科學家實現聲波製造超微型光二極體，可解決光子集成電路面臨的數據容量挑戰美國伊利諾斯大學的研究人員近日在DARPA和空軍支持下實現了聲波製造超微型光二極體，這些稱為光隔離器的器件可能有助於為用於計算和通信的光子集成電路（PIC）解決主要的數據容量和系統尺寸方面的挑戰。
  • 生命要自旋,人生須螺旋
    它的意義，是讓子彈產生自旋，給子彈一股旋轉的力量，令子彈在內盤旋蓄勢，打出時即更速而猛，並提高子彈射出後飛行中的穩定性。來復，是英文rifle的音譯。這個翻譯，大不簡單。來複線是一條螺旋通道，天道即是螺旋前進，路線永遠是圓的，從天體到粒子無論形狀、運行全都是圓，晝夜更替、四季輪迴也全都是圓。時間上是易所謂「原始反終」，空間上是易所謂「曲成萬物」，總之是老子所謂「曲則全」。天道如是，正如來復槍所示，如是盤旋，才有如是蓄勢。螺旋，正是蓄勢的需要，無盤旋則無蓄勢，無蓄勢則必不得其力與久。螺旋，正是蓄勢的結構和模式。
  • 超表面雷射的超扭曲光
    這一研究結果為超表面雷射的革新和應用開創了新紀元。圖5 具有內腔非線性晶體（KTP）、兩極化和超表面的 雷射諧振腔的示意圖，通過紅外泵浦進行激發  超表面雷射 雷射，見示意圖圖5，是一個倍頻腔，可以通過內腔非線性晶體（KTP）實現將Nd：YAG(λ =
  • 水聲超材料研究進展
    Li和Chan通過水中放置的軟橡膠球陣列，將雙負介質由電磁學推廣到聲學領域，指出負的有效模量和密度分別來自同一結構的單極和偶極共振，並進一步指出雙負介質所具有的一些奇異性質，如負折射率和亞波長聲聚焦等。自此，各種具有負折射率的空氣聲和水聲超材料蓬勃湧現。如Brunet等人利用隨機散布在水基凝膠中的橡膠微珠，設計了一種具有負折射率的水聲超材料，實驗結果表明，這些微珠的Mie共振可產生負折射率。
  • 膠子提供了質子自旋的一半
    作為其基本物理量的自旋，也完全來源於夸克。但是，深度非彈性散射的實驗結果表明，夸克自旋對質子自旋的貢獻僅為約30%，和傳統夸克模型認為質子自旋完全來源於夸克自旋的圖像截然不同。三十年來，價夸克以外的成分對質子自旋的貢獻一直是理論與實驗上的重大挑戰。由於其貢獻完全來自於強子與色真空的相互作用，它在非微擾量子色動力學（QCD）中的重要性可以與電動力學中的朗姆位移相當。
  • 超構表面全息成像:點光源的妙用
    在光學中，幾何相位是一類與光場偏振態改變有關的相位，具有自旋相關特性。當左旋光或者右旋光入射到結構上，探測其相反的自旋態時，結構會附加一個與其轉角成2倍關係的相位，這就是幾何相位。由於其不依賴於具體結構形貌和入射波長，這種簡單的相位調控被廣泛應用於超構表面結構領域，如全息成像。但另一方面，幾何相位的這種特性使得在平面波入射下（圖1a）不同入射光產生的全息圖像無法獨立，具有相關聯性。具體來說，不同自旋態下的全息圖關於中心反演對稱（圖1b，第一列），不同波長下全息圖像尺寸隨波長變化時圖像不變（圖1b，第二列），不同入射角度下全息圖像整體平移（圖1b，第三列）。
  • 量子存儲Science,超快雷射Nature,北大、南大、華東理工等成果速遞丨頂刊日報20190407
    Nature：超快旋轉雷射器雷射有著廣泛的應用和作為模型系統的作用。在雷射操作中引入新概念有可能會帶來新的應用和見解。使用自旋和電子電荷的自旋電子學已經促進自旋雷射器的發展。近日，波鴻魯爾大學Markus Lindemann和Nils C.
  • 進展 | 單分子器件的電子輸運通道調控及其巨磁阻效應取得重要進展
    2007年，他們報導了吸附於金單晶表面的磁性分子酞菁鐵的研究工作，發現分子吸附位置對近藤（Kondo）效應的調控 [Phys. Rev. Lett. 99, 106402 (2007)]，這是國際上首次報導固體表面吸附位置對單分子近藤效應的調控。
  • 29、電子的自旋和角動量耦合
    29、電子的自旋和角動量耦合1、電子自旋斯特恩—蓋拉赫所做的電子自旋實驗的示意圖如下.其中由O發射出的s態氫原子束經過不均勻磁場, 最後射到照相底片上，實驗結果是氫原子束髮生分裂以致在底片上出現兩條分立的線。
  • 核自旋與自旋量子數
    核自旋是原子核的重要性質之一，是核自旋角動量的簡稱。
  • 奇異點超構表面:Loss也有春天
    近日，新加坡國立大學和深圳大學團隊合作提出在傳統的相位梯度超表面基礎上定量的引入損耗，製備出的無增益二維（2D）非厄米散射系統，可以打破無損情況下左右鏡像對稱通道的散射對稱性，尤其在奇異點處，可以實現極度角不對稱的回射散射壓制（如圖1）：當電場波從左邊通道入射時，回射模被全部吸收；而從右邊通道入射時，回射模保持高效反射。