介電體超晶格實(shí)驗(yàn)室劉輝課題組在變換光學(xué)芯片取得進(jìn)展
-- 基于彎曲時(shí)空中加速粒子韌致輻射原理實(shí)現(xiàn)等離激元的激發(fā)與調(diào)控

愛因斯坦的廣義相對(duì)論成功描述了彎曲時(shí)空中物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)廣義相對(duì)論的基本原理，光子態(tài)在彎曲時(shí)空中的演化可以呈現(xiàn)出許多新奇的特性。近些年，理論物理學(xué)家提出變換光學(xué)方法，利用超構(gòu)材料模擬彎曲時(shí)空中光子態(tài)的演化行為，可以實(shí)現(xiàn)光子態(tài)的操控和新型集成光子芯片。變換光學(xué)在理論上有很多新奇設(shè)計(jì)，但在實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面卻面臨很大挑戰(zhàn)，許多理論設(shè)計(jì)很難在實(shí)驗(yàn)中真正實(shí)現(xiàn)。近幾年來，南京學(xué)物理學(xué)院介電體超晶格實(shí)驗(yàn)室祝世寧、劉輝課題組，在變換光學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面取得突破，利用液體表面張力自組織加工技術(shù)，在聚合物變換光學(xué)波導(dǎo)中成功實(shí)現(xiàn)了光子黑洞、愛因斯坦環(huán)、麥克斯韋魚眼等器件。

另一方面，光子也是滿足量子力學(xué)的自旋為1的玻色子，通過引入自旋自由度，人們可以利用光自旋霍爾效應(yīng)更加靈活地在芯片上調(diào)控光子傳播。最近，介電體超晶格實(shí)驗(yàn)室與香港科技大學(xué)Jensen Li課題組合作，將光自旋引入變換光學(xué)芯片，通過同時(shí)改變超構(gòu)材料整體的彎曲形狀和結(jié)構(gòu)單元局域的旋轉(zhuǎn)角度(圖(a))，可以調(diào)控時(shí)空中自旋光子態(tài)的幾何位相(圖(b))，模擬彎曲時(shí)空中粒子的加速運(yùn)動(dòng)和韌致輻射(圖(c))。課題組博士生仲帆在實(shí)驗(yàn)中通過構(gòu)造倫德勒時(shí)空，模擬了黑洞周圍加速粒子的韌致輻射，實(shí)現(xiàn)了自由空間自旋光子激發(fā)芯片上等離激元倫德勒波束的過程(圖(d-i))。更進(jìn)一步，利用不同彎曲時(shí)空度規(guī)之間廣義協(xié)變變換，在理論上可以找到了一系列滿足等價(jià)關(guān)系的彎曲超構(gòu)材料，實(shí)驗(yàn)中在不同超構(gòu)材料中同時(shí)產(chǎn)生相同的表面等離激元波場(chǎng)，結(jié)果表明廣義協(xié)變變換為變換光學(xué)芯片的設(shè)計(jì)提供了更加廣泛靈活的理論方法。該工作近期發(fā)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, 南京大學(xué)是第一單位，祝世寧院士參與了討論和文章的修改。

該工作得到固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持，國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“光子態(tài)的時(shí)空演化與應(yīng)用”(No.11690033)和科技部量子調(diào)控項(xiàng)目人工微結(jié)構(gòu)中新奇量子、類量子效應(yīng)研究 (No. 2017YFA0303702)的資助，在此表示感謝。

(物理學(xué)院 科學(xué)技術(shù)處)