前沿进展 |电介质超表面大幅提高光子自旋霍尔效应传输效率
导读
光的自旋霍尔效应以其独特的记忆属性，在量子芯片与量子通信等未来科技主流发展领域有着极其独到的作用，但此效应正面临着大脉冲位移与高传输效率无法兼得的技术难题。浦项科技大学、延世大学等机构合作通过采用介电材料为基材的超表面结构，实现了在800 nm的红外波段对光子自旋效应的有效调控，在位移距离达到10λ的同时保证了不低于70%的传输效率，将研究工作者对于量子自旋霍尔效应的研究正式扩展到了光学领域。本工作以“Reaching the highest efficiency of spin Hall effect of light in the near-infrared using all-dielectric metasurfaces”为题发表在Nature Communications上，通信作者为浦项科技大学的Junsuk Rho教授。
研究背景
众所周知，除了电荷外，电子还具有自旋这一基本属性。电子自旋的发现，使人类更好地理解了原子核外的微观世界。霍尔效应的发现，也使人类加深了对于电子在磁场中运动的理解与认知，它告诉我们电子会在磁场作用下发生定向偏移。
在霍尔效应被提出一百年以后，随着凝聚态物理研究的不断深入，有研究团队发现在无外加磁场或是在非磁性材料中，电子也存在类似于霍尔效应的特殊行为，这便是电子的自旋霍尔效应。由于电子自旋霍尔效应的发生过程中电流几乎无能量损失，以此为理论基础，进行相关电子记忆元器件的设计便成为了一个研究的热点。
图1 电子的自旋霍尔效应（图源：Camellia Café ）。
作为电子的拓展，光子自旋霍尔效应(SHEL)的研究也备受凝聚态物理学科的关注。与电子类似，光子也存在自旋这一基本属性。但与电子不同，光子因对外呈电中性而不具有磁矩，无法通过外加强场作用的方式改变其自旋轴的方向。因此对光子自旋态的调整，只能着眼于对其传播方向（直接影响光子自旋矢量在空间指向）的改变上，最简单的做法莫过于改变光束传播需要经过介质的折射率。事实上，已有研究工作通过在介质内部设置折射梯度来使圆偏振光分解出左旋与右旋偏振分量，与电子的上下旋形成对应。光子自旋霍尔效应的可控性研究，直接支持了光子芯片及智能光子器件的研发，具有重大的现实意义。
事实上，上述左、右旋偏振光在产生之后，会因为彼此之间存在横向位移而被有效区分，但这个位移仅仅只在亚波长的尺寸，如何使SHEL产生的光束之间有较大的分裂效果，使得SHEL可轻易分离不同的自旋态或轨道角动量状态，成为了SHEL应用于量子通信以及量子计算的关键所在。
超表面作为一种新型的微纳结构，在面世之初就以灵活的微调控功能实现了对于电磁波各项特性的调制。一般来说，涉及对光操作的SHEL效应可在以等离子体材料为基材的超表面实现。但传统的等离子体超表面在对SHEL效应进行演示时，往往会因为其自身巨大的欧姆损耗而导致传输效率低下，无法在实际应用中表现有效的功能。而本报道所介绍的实验成果，以介电材料作为等离子材料的替代，通过超表面结构的设计及制备，验证了其对于光束调制的有效性。
研究亮点
SHEL效应产生的两束激光之间往往会具有亚波长的空间位移，经过特殊设计的超表面可以对这个位移的大小实现若干个数量级的提升，但随着位移的增加，菲涅尔系数会同时减小，导致光束的传输效率大幅下降。如何在保证光束传输效率的情况下提升空间位移的大小，成为了一个棘手的问题。与传统的工作不同，本工作另辟蹊径，通过更换构成超表面的材料来对光子SHEL效应所期待的大位移与高效率进行综合。
图2 研究的先进性表现：传统研究（左），本项研究（右）。
本项研究采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、电子束光刻(EBL)以及反应性离子刻蚀技术(RIE)技术设计了如图3所示的全介电材质的超表面。整个制造过程大致包括PECVD在熔融石英衬底上沉积氢化非晶硅(a-Si:H)、正性光刻胶在a-Si:H表面的旋涂、EBL技术沉积掩模图案以及RIE技术实现掩模图案的转移等四个步骤。
图3 对于超表面的表征。(a)超表面纳米柱的示意图；(b)超表面对光调制示意图；(c)(d)电子显微镜下纳米柱阵列的俯视及侧视图像。
与以往工作中提到的大块堆叠结构不同，本项研究设计了十分紧凑微纳米柱阵列结构，设计思路独到，体现出切实可靠的工程思维。另外，为了验证光束传输效率较高的特点，本工作还采用了仿真模拟与实际测量相比较的研究方式。具体来说，本项研究对800 nm的激光在超表面上的透过率表现分别进行了仿真计算与测量验证，得到的透过率曲线如图4(a)所示。其中蓝色的曲线代表沿x轴耦合进入超表面的偏振光，该偏振光在726 nm的波段表现出较低的透过率，这一现象出现的成因被归结为磁偶极子的共振，具体表现为超表面介电材质纳米柱周围位移电流的存在。与之对应的，沿y轴方向入射进超表面的偏振光（红色曲线）在675 nm处诱导了磁偶极子共振，因此在700 nm以上的波段获得了较高的透射率。在磁偶极子共振区域附近(800 nm)，两束光之间的相位差达到了0.87π，如图4(b)所示。
图4 仿真及测试数据对比。(a)透射率曲线；(b)两束光的相位差仿真。
综上所述，本工作所设计出的超表面结构在800 nm的激光入射时，表现出优秀的透过特性，有利于实现高效率的SHEL。实验所采用的实体光路示意图如图5所示。
图5 本项目所采用的测试光路。
最终的测试结果显示：通过对工作中心波段为800 nm光束的调制处理，超表面输出两束分离偏振光之间的位移达到了10个波长的长度，同时透射效率也稳定在了70%以上。而在文章的末尾也论证了通过优化刻蚀条件减小微纳米柱锥度角，以进一步加大偏移位移与透射效率的可行性。
总结与展望
本工作首次从理论仿真和实验验证的角度，证明了光子自旋霍尔效应位移量与传输效率在全介电材料组成的超表面中被同时增强的可能性。通过超表面复杂的调制与传输作用，本项工作对800 nm的入射光束产生了10λ的位移大小，同时也保证传输的效率不低于70%。正是高传输效率与大位移的存在，本项研究正式将SHEL带到了光学研究的日程上，并且为量子芯片的设计、量子通信的实现及优化，提出了切实可行的方法，打下了坚实的物质与理论基础。
END
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