保持自旋的手性光子晶體鏡

2020-12-01 科學網

 

近日，來自滑鐵盧大學量子計算研究所(IQC)的Behrooz Semnani等人發表了題為「Spin-preserving chiral photonic crystal mirror」的高水平論文。研究人員展示了一種新型的平面手性鏡子，這種鏡子對相反自旋態的光具有接近單位反射率的對比度。傳統的鏡子，如金屬鏡和介電鏡，在反射時使光的自旋翻轉。然而，所報導的手性結構具有自旋保持性，即所選擇的螺旋度經反射後保持不變。

自旋保持鏡可以在量子信息處理、量子光學、原子和分子物理以及光與物質相互作用的基礎研究中找到潛在的應用。該文章於近期在線發表在國際頂尖學術期刊《Light: Science & Applications》。

光波是由電場和磁場組成的。如果光是圓偏振的，那麼電磁場沿傳播方向呈螺旋形。根據旋轉方向，順時針或逆時針，螺旋度是確定的。當光束是圓偏振時，它的每一個光子都帶有一個確定的自旋角動量(SAM)。一般來說，手性僅僅意味著一個物體在各個方面與它的鏡像不完全相同，比如左手和右手。因此，當我們觀察一個手性物體時，旋向性或扭曲感就會凸顯出來。同時，在光學和光子學中，手性也指對左旋和右旋圓偏振光有不同影響的結構。如果仔細閱讀現有的文獻，我們就會發現，要創造出一種適用於光的手性結構，需要複雜的3D柱狀特徵，而這些特徵的製作是非常精細和棘手的。此外，迄今為止所報導的手性結構似乎在一定程度上提供了光子自旋選擇性，使得這種結構在精確控制光子和量子發射器之間的相互作用方面的作用有限。

一種超薄的自旋保持手性鏡子，在不改變光旋向的情況下，在正常照明條件下只完全反射一種光的自旋態，這是一種特別有趣的手性結構。因為金屬的、介質疊加的、甚至是法拉第鏡子在反射時都會翻轉光的螺旋性(即旋向)。然而，在不改變光旋向的情況下，實現在正常照明條件下只反射一種光的自旋狀態的超薄手性鏡子，涉及到納米光子學的兩個突出挑戰。 首先是固有的手性。在準二維無損結構中，對於正入射光的手性光效應已經被推測是禁止的。其次，第二個挑戰是光在垂直反射後對手性的保持。對於一個普通的鏡子或任何均勻的介電界面，當光從表面反射時，螺旋性會發生逆轉。雖然一些研究團隊已經提出了各種不同的結構來實現手性保持，但是這些方法之間都有一個共同點：所提出的鏡子是由二維手性陣列排列在金屬後視鏡的頂部。這些設計的工作原理依賴於對照射金屬手性圖案上光的選擇性吸收。然而，在二維陣列中，吸收基本被限制在50%。

文中展示了在一個薄的單片光子晶體鏡中實現了巨大的手性光效應的實驗。與傳統的鏡子不同，實驗中的反射鏡在保持其旋向性的同時，只反射一種自旋狀態的光，並且具有近乎單位一的圓二色性。光子晶體鏡的工作原理是利用光子晶體中導模共振 (GMR)，同時激發光子晶體平板中洩漏的橫向電（TE-like）和橫向磁（TM-like）Bloch模式。這種模態不依賴於長程破壞性幹擾對輻射損耗的抑制，甚至光子晶體的小區域也表現出魯棒的圓二色性。

儘管這種鏡子很簡單，但是它的反射率比早期報導的結構要好得多，而且與主流觀點相反，它證明了在二維結構中，對相反螺旋結構的反射率幾乎是完全的。

由於這種二維結構在單層材料中相對容易製造，因此它具有被不同行業利用的潛力。例如，人們可以將這種結構直接列印在鈔票和身份證件上，作為防偽的一種隱藏安全功能。如果你用肉眼看，你不會看到任何值得注意的東西。但是，當以設計頻率用圓偏振光照射時，結構會反射光並顯示其存在。

圖1 原理圖和仿真結果

a:一個手性PC膜和幾何定義的示意圖。Bravais晶格是正方形，晶格常數為 a=740nm。晶胞（陰影區域）包括穿孔的三重結構：一個圓形孔和兩個錯位的橢圓形孔。該膜由折射率n~2.26厚309nm的氮化矽製成。b:在設計波長870nm下的光學響應。該結構反射RHCP光，同時又保持其手性。相反的自旋透射，並且其旋向被反轉。c:所制設備的SEM圖像。d，e :FDTD仿真結果：d入射光的兩種自旋態的功率反射譜，以及e在幾個晶胞上的相應強度分布。色軸顯示歸一化的電場強度分布。

圖2 瓊斯矩陣的元素。a功率反射係數和b傳輸係數的仿真結果。下標+和-分別表示RHCP和LHCP模式。陰影表示最大手性帶寬。

圖3 能帶圖和模式雜化圖。通過改變平板的厚度，混合了兩種低Q值的 TE和TM模式。a: TE(藍色)和TM(紅色)模式的相關波段圖。色軸表示時域模擬得到的譜函數。高Q值 Bloch模式更亮，因為它們表現出更強的共振。顯示的波段在輻射連續體內(光錐上方)，黃色陰影區域為鏡面的操作波段。b: 所選螺旋度的全反射. c: TE和TM模式的光譜分布。

圖4 實驗結果。a: 由置於聚焦物鏡前的四分之一波片所產生的入射波的偏振橢圓。b: 測量的不同橢圓偏振光束的歸一化反射光譜的顏色圖。在設計波長附近，表現出最大反射率和手性的本徵極化是橢圓的。c: 圓偏振入射光的反射率與螺旋度相同。由於製造缺陷，反射測量相對較差（只有50%）。d: 橢圓偏振光的反射光譜。

圖5 圓偏振照明下相反對應體的反射

a – c使用聚焦和空間相干雷射源成像。d– f使用具有加擾波前的雷射束成像。字母（IQC）的內部和外部由具有相反手性圖案的光子晶體製成。

（來源：科學網 OSANJU）

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-020-0256-5

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