南京大学刘辉团队利用自旋变换光学超构材料调控等离激元波束

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信息技术的进步对人们生活产生深刻的影响，信息的载体主要是电子和光子。电子集成芯片已经取得了巨大的成功，相比之下，光子集成技术却要落后很多。由于光子波长比电子大很多，光子集成面临很多基础物理问题和技术挑战。近些年来，为了实现光子集成芯片，人们提出了各种新型人工微结构材料，包括：光学超晶格，光子晶体，表面等离激元，光学超构材料等。

另一方面，爱因斯坦的广义相对论成功描述了弯曲时空中物质的运动。根据广义相对论的基本原理，光子态在弯曲时空中的演化可以呈现出许多新奇的特性。近些年，理论物理学家提出变换光学方法，利用超构材料模拟弯曲时空中光子态的演化行为，可以实现光子态的操控和新型集成光子芯片。变换光学在理论上有很多新奇设计，但在实验技术方面却面临很大挑战，许多理论设计很难在实验中真正实现。近几年来，南京大学物理学院介电体超晶格实验室祝世宁、刘辉课题组，在变换光学实验技术方面取得突破，利用液体表面张力自组织加工技术，在聚合物变换光学波导中成功实现了光子黑洞、爱因斯坦环、共形自聚焦透镜等器件。

图一 (a) 自旋光子激发等离激元波场; (b) 光自旋的几何位相; (c) 超构材料模拟弯曲时空中粒子的加速运动和韧致辐射; 两个满足广义协变变换关系的等价超构材料之间的理论与实验比较：(d)和(g)实验样品照片; (e)和(h)理论模拟的等离激元波束; (f)和(i)实验测量的等离激元波束。

根据量子力学理论，光子是自旋为1的玻色子。通过引入自旋自由度，人们可以利用光自旋霍尔效应更加灵活地在芯片上调控光子传播。最近，刘辉课题组与香港科技大学Jensen Li课题组合作，将光自旋引入变换光学芯片，通过同时改变超构材料整体的弯曲形状和结构单元局域的旋转角度(图一(a))，调控时空中自旋光子态的几何位相(图一(b))，模拟弯曲时空中粒子的加速运动和韧致辐射(图一(c))。课题组博士生仲帆在实验中采用聚焦离子束技术，制备了"超表面/介质/金属板"的变换光学结构(图二(b-c))，超表面是由金属纳米孔作为结构单元(图二(a))，纳米孔与金属板之间的耦合可以产生强的局域磁共振，以便增强等离激元的激发效率。实验中，课题组在一块具体样品中设计和构造了广义相对论中的伦德勒时空，模拟了黑洞周围加速粒子的韧致辐射(图一(c))，实现了自由空间自旋光子激发光子芯片上等离激元伦德勒波束的过程(图一(d-i))。

图二 (a) 超构材料结构单元; (b) 纳米孔实验照片; (c) 实验样品结构; (d) 红外等离激元激发与近场测量装置。

更进一步，课题组利用不同弯曲时空度规之间广义协变变换，在理论上找到了一系列满足等价关系的弯曲超构材料，实验中在这些不同变换光学结构中可以产生相同的表面等离激元波场(图一(d-i))，结果表明广义协变变换为变换光学芯片的设计提供了更加广泛灵活的理论方法。相比传统的通过调控介电常数和磁导率设计变换光学的方法，通过调控光自旋子几何位相的方法具有更大的自由度，而且更容易通过实验实现。

该工作近期发表在“Controlling Surface Plasmons Through Covariant Transformation of the Spin-Dependent Geometric Phase Between Curved Metamaterials”Phys. Rev. Lett. 120,243901 (2018), 博士生仲帆是第一作者, 南京大学是第一单位，祝世宁院士参与了讨论和文章的修改。

该工作得到固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持，国家自然科学基金重大项目“光子态的时空演化与应用”(No.11690033)和科技部量子调控项目"人工微结构中新奇量子、类量子效应研究" (No. 2017YFA0303702)的资助，在此表示感谢。

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