另一方面，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，南京大學(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)、共形自聚焦透鏡等器件。

圖一 (a) 自旋光子激發(fā)等離激元波場(chǎng); (b) 光自旋的幾何位相; (c) 超構(gòu)材料模擬彎曲時(shí)空中粒子的加速運(yùn)動(dòng)和韌致輻射; 兩個(gè)滿足廣義協(xié)變變換關(guān)系的等價(jià)超構(gòu)材料之間的理論與實(shí)驗(yàn)比較：(d)和(g)實(shí)驗(yàn)樣品照片; (e)和(h)理論模擬的等離激元波束; (f)和(i)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的等離激元波束。

根據(jù)量子力學(xué)理論，光子是自旋為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，劉輝課題組與香港科技大學(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(圖一(a))，調(diào)控時(shí)空中自旋光子態(tài)的幾何位相(圖一(b))，模擬彎曲時(shí)空中粒子的加速運(yùn)動(dòng)和韌致輻射(圖一(c))。課題組博士生仲帆在實(shí)驗(yàn)中采用聚焦離子束技術(shù)，制備了超表面/介質(zhì)/金屬板的變換光學(xué)結(jié)構(gòu)(圖二(b-c))，超表面是由金屬納米孔作為結(jié)構(gòu)單元(圖二(a))，納米孔與金屬板之間的耦合可以產(chǎn)生強(qiáng)的局域磁共振，以便增強(qiáng)等離激元的激發(fā)效率。實(shí)驗(yàn)中，課題組在一塊具體樣品中設(shè)計(jì)和構(gòu)造了廣義相對(duì)論中的倫德勒時(shí)空，模擬了黑洞周圍加速粒子的韌致輻射(圖一(c))，實(shí)現(xiàn)了自由空間自旋光子激發(fā)光子芯片上等離激元倫德勒波束的過程(圖一(d-i))。

圖二 (a) 超構(gòu)材料結(jié)構(gòu)單元; (b) 納米孔實(shí)驗(yàn)照片; (c) 實(shí)驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu); (d) 紅外等離激元激發(fā)與近場(chǎng)測(cè)量裝置。

更進(jìn)一步，課題組利用不同彎曲時(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)中在這些不同變換光學(xué)結(jié)構(gòu)中可以產(chǎn)生相同的表面等離激元波場(chǎng)(圖一(d-i))，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。相比傳統(tǒng)的通過調(diào)控介電常數(shù)和磁導(dǎo)率設(shè)計(jì)變換光學(xué)的方法，通過調(diào)控光自旋子幾何位相的方法具有更大的自由度，而且更容易通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。

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。