新型納米光子平臺:每秒可操縱偏振光萬億次!

2021-01-18 環球創新智慧

導讀

據美國萊斯大學官網近日報導，美國與義大利的工程師們演示了首個每秒可操縱偏振光一萬億次的納米光子平臺。

背景

光的偏振，是指光的振動方向對於傳播方向的不對稱性，這種不對稱性是橫波區別於縱波的一個最明顯的標誌。光波電矢量振動的空間分布對於光的傳播方向失去對稱性的現象叫做光的偏振。

在垂直於傳播方向的平面內，包含一切可能方向的橫振動，且平均說來任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動對稱於傳播方向的光稱為自然光（非偏振光）。凡其振動失去這種對稱性的光統稱偏振光。

下圖所示：從白熾燈（1）發出的非偏振光（2）入射於傳輸軸為垂直方向的起偏器（3），透射出來的是垂直平面的偏振光（4）。

（圖片來源：維基百科）

創新

近日，美國與義大利的工程師們演示了首個每秒可操縱偏振光一萬億次的納米光子平臺。這項研究的論文於本周發表在《自然·光子學》（Nature Photonics）上。

論文共同通訊作者、美國萊斯大學的 Alessandro Alabastri 表示：「偏振光可用於編碼比特信息，並且我們已經展示過在太赫茲頻率調製這樣的光線是可行的。」

萊斯大學布朗工程學院電氣與計算機工程系助理教授 Alabastri 表示：「這項技術有望用於無線通信。信號的操作頻率越高，其傳輸數據的速度就越快。1太赫茲等於 1,000 吉赫茲，大約比商用的光學偏振開關的操作頻率高25倍。」

這項研究是萊斯大學、米蘭理工大學（Politecnico）以及位於熱那亞的義大利技術研究所（IIT）之間展開的一項合作。這項合作始於2017年夏，那時這項研究的共同第一作者 Andrea Schirato 在萊斯大學物理學家實驗室做訪問學者，與 Peter Nordlander 進行了合作研究。Schirato 是米蘭理工大學與義大利技術研究所聯合培養的研究生，其導師是共同通訊作者、米蘭理工大學的 Giuseppe Della Valle 以及論文合著者、義大利技術研究所的 Remo Proietti Zaccaria。

下面的示意圖描繪了納米圖案化的等離子體超表面的結構和動作，該超表面在太赫茲頻率調製偏振光。一個超短雷射脈衝（綠色）激發十字形的等離子體結構，它旋轉了比第一個光脈衝之後一皮秒之內到達的第二個光脈衝（白色）的偏振性。

(圖片來源：A. Assié)

技術

每一位研究人員都在納米光子學領域工作，這是一個迅速發展的領域，它用超小型人工結構來操縱光線。他們對於超高速偏振控制的想法是，充分利用短暫的微小變化，在等離子體超表面上產生高能電子。

超表面是嵌入納米顆粒的超薄「膜」或者「片」，這些納米顆粒在通過薄膜時，與光線相互作用。工程師們改變嵌入的納米顆粒的尺寸、形狀和組成，並將其排列成精確的二維幾何圖案，製作出超表面。這種超表面可以精準地拆分或者重定向光波。

納米圖案化的等離子體超表面的掃描電子顯微圖像。(圖片來源：Andrea Toma/IIT)

Alabastri 表示：「將這個方案與其他方案區別開來的一點就是，我們依賴於發生在等離子體納米顆粒中內在的超高速寬帶機制。」

萊斯大學、米蘭理工大學、義大利技術研究所的團隊設計出一款含有一排排十字形金納米顆粒的超表面。每個等離子體十字大約100納米寬，與特定的光頻率產生共振，從而生成一種增強的局部電磁場。由於這種等離子體效應，團隊的超表面成為了一個可生成高能電子的平臺。

Schirato 表示：「當一個雷射脈衝照射到等離子體納米顆粒上時，它會激發其中的自由電子，使一些電子達到非平衡的高能量水平。這意味著電子感覺到不舒服，並希望回歸一個較輕鬆的狀態。它們在低於一皮秒的極短時間內返回平衡。」

儘管十字在超表面中對稱排列，非平衡態仍具有不對稱特性，這種不對稱性在系統返回平衡時消失。為了利用這種超高速現象來進行偏振控制，研究人員採用了一個雙雷射器裝置。實驗由論文第一作者 Margherita Maiuri 在米蘭理工大學超高速光譜實驗室開展，並經過團隊的理論預測確認，採用一個雷射器發出超短光脈衝來激發十字，使其在第一個脈衝之後一皮秒之內到達的第二個脈衝中調製光線偏振。

Alabastri 表示：「關鍵點在於，我們可以通過光線本身實現對於光線的控制，運用由等離子體超表面實現的罕見的超高速電子機制。通過適當設計納米結構，我們演示了一種新穎的方案，有望使我們通過光學方式，以前所未有的速度，傳送在偏振光中編碼的寬帶信息。」

關鍵詞

光子、偏振、太赫茲、超表面

參考資料

【1】Andrea Schirato, Margherita Maiuri, Andrea Toma, Silvio Fugattini, Remo Proietti Zaccaria, Paolo Laporta, Peter Nordlander, Giulio Cerullo, Alessandro Alabastri, Giuseppe Della Valle. Transient optical symmetry breaking for ultrafast broadband dichroism in plasmonic metasurfaces. Nature Photonics, 2020; DOI: 10.1038/s41566-020-00702-w

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