電磁波的近場(chǎng)自旋軌道耦合

光具有兩種角動(dòng)量，一種是自旋角動(dòng)量（SAM）,一種是軌道角動(dòng)量（OAM），前者與偏振態(tài)有關(guān)，后者源自于光的相位結(jié)構(gòu)，光的自旋-軌道相互作用SOI（Spin-orbit interactions）是指光的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量之間的相互作用。這種效應(yīng)通常比較弱，但是利用表面等離激元，近場(chǎng)的SOI會(huì)得到增強(qiáng)。

自旋角動(dòng)量與軌道角動(dòng)量的轉(zhuǎn)化：通過(guò)偏振操縱可產(chǎn)生由自旋角動(dòng)量調(diào)控的攜帶軌道角動(dòng)量的光學(xué)渦旋光束。特別的，由于電磁波與金屬表面自由電子集體振蕩的耦合，而且金屬納米結(jié)構(gòu)表面由于其介電常數(shù)梯度很大，極大地增強(qiáng)了光子SOI。如圖所示，上圖為金納米球的軌道動(dòng)量密度,下圖為介質(zhì)納米球的軌道動(dòng)量密度，明顯看出，當(dāng)圓偏光入射時(shí)在金納米球附近產(chǎn)生了一個(gè)繞球旋轉(zhuǎn)的渦旋。

圖源：PRL.117,166803 (2016)

今天，想和大家介紹的是武漢大學(xué)徐紅星教授課題組2016年發(fā)表在PRL上的文章，題目是Strong Spin-Orbit Interaction of Light in Plasmonic Nanostructures and Nanocircuits。課題組使用圓偏振光激發(fā)金屬納米線，在納米線的端頭產(chǎn)生強(qiáng)烈的光子自旋-軌道耦合，使入射光子的自旋角動(dòng)量耦合為軌道角動(dòng)量，造成光子軌跡的強(qiáng)烈彎曲。在分支的納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，不同自旋的光子激發(fā)的表面等離激元會(huì)被路由到分支結(jié)構(gòu)的不同輸出端，從而實(shí)現(xiàn)了納米波導(dǎo)中光子自旋路由功能（詳細(xì)相關(guān)報(bào)道：表面等離激元增強(qiáng)的光子自旋-軌道耦合研究取得新進(jìn)展）。下面詳細(xì)介紹一下文章中的具體細(xì)節(jié)：

上文提到：利用圓偏光激發(fā)時(shí)，在金屬小球附近會(huì)產(chǎn)生了一個(gè)渦旋場(chǎng)，為進(jìn)一步驗(yàn)證該軌道角動(dòng)量是由自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)化而來(lái)的，作者提供了電荷分布的實(shí)時(shí)演化圖（b）和沿y方向的圓極化度C的分布圖（c）。當(dāng)一束線偏光激發(fā)金屬納米球的LSPR時(shí)，其表面極化電荷振蕩方向與入射偏振方向一致，且不隨時(shí)間改變。文中利用圓偏光入射時(shí)，其振蕩方向旋轉(zhuǎn)變化，表明產(chǎn)生的SP波獲得了軌道角動(dòng)量并繞金屬納米球循環(huán)。從圖c中圓極化度C的變化來(lái)看，在近場(chǎng)區(qū)域圓極化度低，可見(jiàn)，沿z方向的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)化為了軌道角動(dòng)量，因此，在金屬納米小球附近的OAM是由SOI過(guò)程產(chǎn)生和介導(dǎo)的。

如下所示，通過(guò)改變x和y方向的兩束線偏光的相位差設(shè)置左旋圓偏光和右旋圓偏光，渦旋的手性由入射光的自旋方向決定。

下圖中的動(dòng)圖展示了沿x方向線偏振光激發(fā)的電荷分布演化圖（上圖）和圓偏振激發(fā)的結(jié)果（下圖）。結(jié)果與文中結(jié)論一致。

線偏振入射（無(wú)軌道角動(dòng)量）

圓偏振入射（具有軌道角動(dòng)量）

以上理論對(duì)于其他金屬結(jié)構(gòu)也是適用的，如金屬納米線。接下來(lái)，作者基于這種受自旋控制的定向傳播，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有分支的納米波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了圓偏振光分選的路由功能。

文中納米線結(jié)構(gòu)將主支路的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為周期的一半，以確保在分叉處場(chǎng)的分布是不對(duì)稱的，從而使主支路上的SPP能夠分選到兩個(gè)輸出支路中的其中一個(gè)。spp傳播周期是由在波導(dǎo)中的傳播模式?jīng)Q定的，計(jì)算公式為：

，

*λ *為入射光波長(zhǎng)，n為傳播模式的折射率(具體可參考文獻(xiàn)：PRL 107, 096801,2011) ?？吹竭@里，我對(duì)于文中長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)產(chǎn)生疑問(wèn)，長(zhǎng)度不同真的會(huì)造成發(fā)射方向不同嗎？帶著這個(gè)疑問(wèn)，進(jìn)行了仿真：粗細(xì)相同的銀納米線，左邊主支路長(zhǎng)度為2 μm，右面主支路長(zhǎng)度為4 μm,在同種入射光下，由于支路長(zhǎng)度不同，出光支路的確不同，這與到達(dá)分叉處的渦旋相位有關(guān)。

以上，文章的核心內(nèi)容就介紹完了。