CN106395732B - 一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构 - Google Patents

一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，该金属微纳结构包括二氧化硅衬底(1)及连接在二氧化硅衬底上的刻有微纳结构(2)的金属表面(3)；微纳结构(2)是刻在金属表面上的空气凹槽；取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴。由入射光与轨道的自旋‑轨道相互作用引起的这种自旋角动量相反的光子垂直照射在本发明中所引起的表面等离激元传输方向不同的现象即为光的自旋霍尔效应。

Description

一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构
技术领域
本发明涉及微纳光学领域，更具体的说，涉及一种能够实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构。
背景技术
金属微纳结构作为特异材料的重要组成，通过在结构的关键尺度上的对结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。随着微纳金属结构的提出，不同种类的人工微纳结构越来越引起人们的关注，也逐渐应用到不同的领域。金属微纳结构研究的前期工作主要是实现对材料的介电常数和磁导率的调节，自从2002年利用传输线制备介电常数和磁导率同时为负的左手材料的思想被提出后，人们对基于传输线的特异材料进行了大量的研究，2012年刘若鹏等人在专利“2011101795271”中提出了具有不同介电常数的新型超材料，能够满足不同的电场响应需求。
与此同时，金属微纳结构引起的表面等离激元的研究引起人们的关注，所谓表面等离激元[surface plasmon polariton(SPP)]即光入射到刻有特定微纳结构的金属表面后，外部电磁波和金属结构相互作用，引起金属与介质分界面上自由电子发生集体震荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波即为表面等离激元。通过控制微纳结构的形状及排布可以操控表面等离激元的传播途径，可以解决光学中长期不能解决的问题，如高密度光学存储，近场光学探测等。
所谓光自旋霍尔效应，即光束在经过非均匀介质后，自旋角动量相反(左、右旋圆偏振)的光子在垂直于入射面的横向相互分离，造成光束的自旋***，它类似于电子***中的自旋霍尔效应。2008年Hosten和Kwiat首次在实验中直接观察到了光的自旋霍尔效应[science,2008,319:787],此外以色列Hasman小组在2008年通过与自旋相关的表面等离激元实验也证明了光的自旋霍尔效应[Phy.Rev.Lett.,2008,101:043903]。由于对表面等离激元的研究对探索新型微纳光子学器件有重要的意义，所以研究新的和自旋相关的表面等离激元效应显得更加重要。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是：提供一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，通过入射光和该金属结构的自旋-轨道相互作用实现能够实现局域表面等离子激元的涡旋和表面等离激元的方向性传输。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，该金属微纳结构包括二氧化硅衬底及连接在二氧化硅衬底上的刻有微纳结构的金属表面；微纳结构是刻在金属表面上的空气凹槽；
取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴。
优选的，所述的金属表面由银、铜、铝或者金制成。
优选的，所述的微纳结构为椭圆圆环形空气纳米谐振腔，该谐振腔内长轴半径为a，短轴半径为b，长轴方向腔体宽度为g1,短轴方向腔体的宽度为g2。
优选的，所述的a＝150nm，b＝50nm，g1＝150nm,g2＝100nm。
优选的，所述微纳结构的按周期P排列，实现表面等离激元方向性传输，其相邻结构间x，y方向的距离为Px，Py。
优选的，P＝1343.5nm，Px＝Py＝950nm。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：该金属微纳结构可以实现±45°(入射光偏振方向和x轴方向的夹角)线偏振光入射时在纳米狭缝里出现局域的表面等离激元的涡旋，不同自旋角动量的圆偏振光(当迎着光的传播方向观察时，若一个场点的电矢量端点描出的椭圆沿顺时针方向旋转，称之为右旋，沿逆时针方向旋转，称之为左旋)入射时纳米狭缝里表面等离激元局域方向沿±45°方向，将该结构沿±45°方向周期性排列，形成特异材料表面(metasurface)，此时满足左旋和右旋圆偏振光入射时金属和二氧化硅接触面上表面等离激元沿不同方向传输，这种与光的自旋相关的表面等离激元效应即为光的自旋霍尔效应。本发明为新型金属微纳结构，该结构由二氧化硅衬底，以及连接在二氧化硅衬底上的刻有椭圆圆环形空气纳米谐振腔的金属表面组成。取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴。由于所设计的椭圆型纳米空腔具有简并的几何电子数即满足：l＝±1，所以当不同偏振方向的入射光照射到结构表面时发生自旋-轨道相互作用造成简并解除，实现了局域表面等离激元局域方式不同。由于线偏振光不具有自旋角动量所以满足σ＝0，圆偏振光自旋角动量由光的自旋方向决定，即右旋圆偏振光满足自旋σ＝1，左旋圆偏振光满足自旋σ＝-1。当不同自旋的光入射到椭圆纳米谐振腔时入射光和结构发生自旋轨道相互作用，实现了线偏振光的局域表面等离涡旋，和圆偏振光的局域表面等离激元线性震荡。此外根据局域表面等离激元在纳米谐振腔的局域方式不同，该结构按照±45°(与x方向的夹角)方向周期性排列时线偏振光入射所引起的表面等离激元传播方向相同，左旋和右旋圆偏振光所引起的表面等离激元传播方向分别沿+45°和-45°方向。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是本发明沿OZ轴方向的正视图。
图3表示本发明±45°线偏振光沿OZ方向入射时，椭圆纳米谐振腔局域表面等离激元均如阴影部分所示分布。
图4a箭头方向表示+45°线偏振光沿OZ方向入射本到发明时，椭圆纳米谐振腔能流方向为逆时针。
图4b箭头方向表示-45°线偏振光沿OZ方向入射到本发明时，椭圆纳米谐振腔能流方向为顺时针。
图5a是左旋圆偏振光沿OZ方向入射到本发明时，椭圆纳米谐振腔局域表面等离激元分布在阴影区域(+45°方向)。
图5b是右旋圆偏振光沿OZ方向入射本发明时，椭圆纳米谐振腔局域表面等离激元分布在阴影区域(-45°方向)。
图6是本发明沿+45°和-45°方向周期性排列的结构示意图，及局部细节图。
图7本发明周期性排列后所激发的表面等离激元(SPP)传播方向图。图中有：二氧化硅衬底1、椭圆型纳米谐振腔2、金属表面3。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
为了更清楚的说明本发明的技术方案及良好的效果，下面对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1和图2所示，本发明公布了一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，包括二氧化硅衬底1及连接在二氧化硅衬底上的刻有微纳结构2的金属表面3。微纳结构2是刻在二氧化硅衬底上的空气凹槽。结构具有简并的几何电子数。取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴。该谐振腔内长轴半径为a，短轴半径为b，长轴方向腔体宽度为g1,短轴方向腔体的宽度为g2。
作为优选，所述的g1≠g2，g1＝150nm，g2＝100nm，a＝150nm，b＝50nm。当结构参数为该参数时作用于入射波长为λ0＝1587nm，此时银金属和二氧化硅介质分界面上表面等离激元的波长(其中εm和εd表示银和二氧化硅的介电常数)，局域表面等离激元涡旋和局域表面等离激元线性震荡效果最优。
进一步，所述的金属微纳结构金属面的厚度为150nm，改变金属膜厚度对实验效果影响不大。
进一步，所述的金属微纳结构沿+45°方向和-45°方向周期性排列，45°方向的周期为P＝1343.5nm。
作为优选，所述的P＝1343.5nm的前提下，x和y方向周期取Px＝Py＝950nm。
本发明的金属微纳结构可采用微纳加工技术(例如聚焦离子束刻蚀,电子束刻蚀等方法)进行制备。以聚焦离子束刻蚀为例，在二氧化硅衬底上沉积一层金属薄膜，在金属薄膜上有聚焦离子束刻蚀出椭圆结构的空气纳米谐振腔。
本发明中光自旋霍尔效应和表面等离激元的英文全称分别为Optical spin Halleffect和surface plasmon polariton(SPP)。本发明中金属微纳结构所实现的光自旋霍尔效应是指当光照射到本发明时发生了在入射光和结构的自旋-轨道相互作用下引起的这种自旋角动量相反的光子能够激发表面等离激元向不同方向传输的现象。
本发明的金属微纳结构，涉及等离激元的定向传输及光自旋霍尔效应。该微纳结构是由在金属薄膜上刻蚀椭圆环形空气纳米谐振腔而形成，该纳米谐振腔具有简并的轨道角动量。利用光子的自旋霍尔效应及入射光和纳米谐振腔的自旋-轨道相互作用可以实现对轨道角动量简并的解除从而实现局域表面等离激元的涡旋和线性震荡。由于线偏振光不具有自旋角动量其自旋态满足σ＝0，即当波长为1587nm的+45°线偏振光入射时σ＝0纳米谐振腔轨道角动量简并解除为l＝-1，此时局域的表面等离激元总角动量L＝l+σ＝-1，所引起的等离激元在谐振腔内逆时针方向旋转(左旋)；相反-45°线偏振光入射时σ＝0纳米谐振腔轨道角动量简并解除为l＝1，此时局域的表面等离激元总角动量L＝l+σ＝1，所引起的等离激元在谐振腔内绕顺时针方向旋转(右旋)。此外，圆偏振光具有不同的自旋角动量，左旋圆偏振光的自旋态σ＝-1，右旋圆偏振光的自旋态σ＝+1。当1587nm波长的右旋圆偏振光入射到该发明时纳米谐振腔轨道角动量简并解除为l＝-1，此时局域的表面等离激元总角动量L＝l+σ＝0，,所形成的局域表面等离激元主要沿-45°方向呈线性震荡；左旋圆偏振光入射到该发明时纳米谐振腔轨道角动量简并解除l＝1，此时局域的表面等离激元总角动量L＝l+σ＝0，所形成的局域表面等离激元主要沿+45°方向呈线性震荡。由于单个微纳结构谐振腔内等离激元局域的方式不同，所以引起表面等离激元向外辐射的方式不同。考虑局域表面等离激元的方向把该金属微纳结构按照±45°方向周期性排列时，每个结构单元所辐射的表面等离激元相互作用，引起表面等离激元在金属和二氧化硅衬底接触面传输。±45°线偏振光入射时表面等离激元传播沿相同方向，左旋圆偏振光入射时表面等离激元沿+45°方向传播，右旋圆偏振光入射时表面等离激元沿-45°方向传播即实现了表面等离激元的方向性传输，综上所述将该发明按特定周期排列时即能实现光的自旋霍尔效应。
这种特异材料具有易实现，易操控，能够通过调这结构尺寸实现不同波长的光自旋霍尔效应。可以应用到微纳光学器件，光电信息存储，光电探测等光学领域。
图2为单个结构沿OZ轴负方向的正视图。其中谐振腔内长轴半径为a＝150nm，短轴半径为b＝50nm，长轴方向腔体宽度为g1＝150nm,短轴方向腔体宽度为g2＝100nm。对具有图2所述参数的结构单元，进行基于时域有限差分方法的电磁仿真软件模拟试验。
取入射光为+45°和-45°的线偏振光沿OZ轴正方向入射：图3图表示入射光为±45°线偏振时纳米谐振腔内局域的表面等离激元电场分布相同，图4a给出+45°线偏振光入射时纳米谐振腔里坡印廷矢量，指电磁场中的能流密度矢量。其中箭头的方向表示纳米谐振腔内局域的表面等离激元涡旋的方向为逆时针。图4b给出-45°线偏振光入射时纳米谐振腔里坡印廷矢量，指电磁场中的能流密度矢量。其中箭头的方向表示纳米谐振腔内局域的表面等离激元涡旋的方向为顺时针。
取入射光为左旋(逆时针)和右旋(顺时针)圆偏振光沿OZ轴正方向入射，表面等离激元局域方向如图5a和图5b阴影部分所示。图5a表示左旋圆偏振光入射时纳米谐振腔内局域的表面等离激元电场分布，即表面等离激元沿+45°方向局域。图5b表示右旋圆偏振光入射时纳米谐振腔内局域的表面等离激元电场分布，即表面等离激元沿-45°方向局域。
为了进一步研究局域的表面等离激元对等离激元传播的影响，将单个的纳米谐振腔结构沿±45°方向周期性排列，如图6所示。由图6可知任何相邻纳米谐振腔的周期为P＝134.35nm，x和y方向的距离满足Px＝Py＝950nm。特定的排列方式为表面等离激元的传输提供了+45°和-45°两个方向上的传播通道。对具有图6所述参数的周期性阵列，进行基于时域有限差分方法的电磁仿真软件模拟试验。
取入射光为+45°和-45°的线偏振光沿OZ轴正方向入射时，由于谐振腔内局域表面等离激元的涡旋的形成，使单个结构谐振腔内表面等离激元的局域方式相同如图3所示，进而引起周期性排列时表面等离激元的传播方式相同，即表面等离激元传播方向同时沿图7中(1)，(2)，(3)，(4)四个方向，并未表现出特定的方向性。
取入射光为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光沿OZ轴正方向入射，由于谐振腔内表面等离激元的局域方向不同，引起周期性排列时左旋圆偏振光入射时表面等离激元沿+45°方向的传播途径传播，即沿图7中(1)和(2)两个传播方向传播。右旋圆偏振光入射时表面等离激元沿-45°方向的传播途径传播即沿图7中(3)和(4)两个传播方向传播。
综上所述，不具有自旋的线偏光入射到该发明时表面等离激元的传播方向相同，自旋不同的左旋和右旋圆偏振光入射到发明时表面等离激元传播方向互相垂直。此类表面等离激元传播的方向性受入射光的自旋状态的控制的现象即为金属微纳结构中光自旋霍尔效应的体现。
尽管上面结合附图对本发明的实施例进行了详细的描述，但是并非对其进行了限制，上述的具体实施方式仅仅是示范性的，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，对其中某些部分进行修改或替换，而这些修改和替换，并未脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，均属本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，其特征在于，该金属微纳结构包括二氧化硅衬底(1)及连接在二氧化硅衬底上的刻有微纳结构(2)的金属表面(3)；微纳结构(2)是刻在金属表面上的空气凹槽；
取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴；
所述的微纳结构(2)为椭圆圆环形空气纳米谐振腔，所述的金属微纳结构沿+45°方向和-45°方向周期性排列。
2.根据权利要求1所述的实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，其特征在于，所述的金属表面由银、铜、铝或者金制成。
3.根据权利要求1所述的实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，其特征在于，所述的微纳结构(2)为椭圆圆环形空气纳米谐振腔，该谐振腔内长轴半径为a，短轴半径为b，长轴方向腔体宽度为g1,短轴方向腔体的宽度为g2。
4.根据权利要求2所述的实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，其特征在于，所述的a＝150nm，b＝50nm，g1＝150nm,g2＝100nm。
5.根据权利要求1所述的实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，其特征在于，所述微纳结构的按周期P排列，实现表面等离激元方向性传输，其相邻结构间x，y方向的距离为Px，Py。
6.根据权利要求5所述的实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，其特征在于，P＝1343.5nm，Px＝Py＝950nm。
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