「多餘」的渦旋——衍生等離激元渦旋

2020-09-09 江蘇雷射產業創新聯盟

近日，電子科技大學楊元傑課題組和新加坡國立大學C.-W. Qiu課題組、北京理工大學李家方課題組合作，發現了衍生等離激元渦旋現象，該現象不能用當今的理論模型進行解釋。研究團隊通過構建新的理論模型，成功地對產生該現象的物理機制進行了詳細的闡述，並進行了實驗驗證。研究表明，先前國際上普遍認可的理論預言的等離激元渦旋僅僅是其中的一個情況，除此之外，還存在一系列的衍生等離激元渦旋。相關研究成果以 「Deuterogenic Plasmonic Vortices」為題發表在Nano Letters上。

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具有軌道角動量的渦旋光束近年來已經逐步地從基礎研究領域走向了應用領域。在實際應用中，器件的微型化和系統集成化是人們的終極需求。表面等離子體激元（Surface Plasmons polaritons, SPPs）是局域在金屬表面的一種有表面電磁波和表面電子振蕩形成的混合模式。表面等離激元渦旋（等離激元渦旋（Plasmonic Vortices）或SPP渦旋），是表面等離子體形成的渦旋，是近年來國際上的一個研究熱點，為亞波長尺度的光子軌道角動量操控開闢了一條新的途徑。

等離激元透鏡(Plasmonic vortex lens, PVL)是一種具有螺旋狀的金屬薄膜納米狹縫結構。用圓偏振的渦旋光束照射PLV激發SPP是產生等離激元渦旋的一種常用方法。在該領域，目前國際上普遍採用的理論模型是一個被稱為角動量轉化的表達式 ℓpv= ℓ + σ + m, 即激發產生的等離激元渦旋的拓撲荷 ℓpv等於入射渦旋光束的自旋角動量參量 σ和拓撲荷ℓ以及PVL參量m的總和。這個式子也經常被解釋為角動量守恆。該公式自被S.W. Cho等人提出以來，一直被作為該領域研究的重要依據。

圖1 (a) 用圓偏振高斯光束（ℓ =0, σ=1）照射m=11的PVL激發的SPP場分布圖；(b) 圖(a)對應的中心區域放大的相位分布圖；(c) 用圓偏振渦旋光束（ℓ =-7, σ=1）照射m=12的PVL激發的SPP場分布圖；(d) 圖(c) 對應的相位分布圖；

在研究中，研究團隊注意到了在該理論預言的等離激元渦旋之外還會有一個很弱的渦旋，如圖1(a)中的紅色虛線圓所示。從圖1(b)可以看到，白色虛線圓指示的渦旋拓撲荷為12，這與之前的理論 ℓ + σ + m 相吻合。但是中心紅色圓區域這個拓撲荷為1的小渦旋很難用現有的理論進行解釋。

楊元傑等人經過嚴謹的公式推導，得到了一個清晰的數學表達式，從而發現之前國際上普遍採用的理論公式預言的等離激元渦旋僅僅是其中的一種情況，實際上同一個PVL結構會產生一系列的渦旋，類似於衍生現象。因此，研究團隊將這種現象稱之為衍生等離激元渦旋，其中第n階衍生等離激元渦旋的拓撲荷為 ℓn = ℓ + σ + nm, n=0, ±1, ±2, ±3... 並且，研究人員還證明前兩階衍生等離激元渦旋佔主導地位，即除了渦旋ℓ + σ + m之外，還有渦旋 ℓ + σ 。例如圖1(a)和(b)中顯示的小渦旋剛好對應於 ℓ + σ=1，從而完美地解釋了之前發現的那個難以理解的「多餘」的渦旋。

有趣的是，這個比較弱的衍生等離激元渦旋的亮環的大小和強度的強弱都可以調節，在有些情況下會對整個SPP場分布造成極大的影響，例如圖1(c)所示。通常而言渦旋是一個連續圓環，而圖1(c)中所示的渦旋是個離散的均勻分布的12個亮點。這是由於得到的兩個衍生等離激元渦旋的拓撲荷分別為-6和6，兩個渦旋的同軸疊加會產生幹涉從而得到│ℓ1- ℓ0│ =│(ℓ + σ + m)- (ℓ + σ)│= m 個亮點。這種場沿著圓環均勻分布著亮點的光束叫做「摩天輪光束」，在角精密測量和原子冷卻等方面具有重要的應用。

而該工作表明，用一個簡單的PVL就可以產生「摩天輪SPP」。之前，要想得到複合的等離激元渦旋，必須採用結構複雜的複合結構。該成果表明，同一個PVL也可以產生複合的等離激元渦旋，這將在近場角精密測量和片上光場調控等方面具有重要的科學意義和應用前景。

論文第一作者是電子科技大學楊元傑研究員，通訊作者是楊元傑和C.-W. Qiu。該工作得到了國家自然科學基金項目，四川省科技創新人才項目等項目的支持。

論文連結：

https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c02699

來自： 顏佳琪編輯 愛光學

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