北京訊 北京大學(xué)物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室方哲宇研究員課題組提出了一種利用超高分辨電子束操控金屬等離激元調(diào)控光自旋角動(dòng)量的新方法，首次在單個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)光自旋霍爾效應(yīng)的觀測(cè)與操縱。研究人員設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)對(duì)稱的金屬納米天線，利用入射電子束超高分辨的特點(diǎn)，精準(zhǔn)激發(fā)了金屬等離激元圓偏振偶極和四極混合電磁模式，在自主研發(fā)搭建的角分辨陰極熒光納米顯微系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了光自旋霍爾效應(yīng)在亞納米尺度上的選擇和操控。相關(guān)工作以“Selectively SteeringPhoton Spin Angular Momentum via Electron Induced Optical Spin Hall Effect”（自由電子束選擇激發(fā)金屬納米天線光自旋霍爾效應(yīng)）為題發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances 2021, 7: eabf8011）。

光子自旋角動(dòng)量是光子的一種內(nèi)稟特性，為調(diào)控光子行為提供了額外的自由度，有望成為新一代量子信息的載體。光自旋霍爾效應(yīng)（optical spin Hall effect, OSHE）則提供了一種操控光子自旋角動(dòng)量的途徑，有望在未來(lái)量子信息中應(yīng)用。早期相關(guān)的自旋軌道耦合物理機(jī)制已有初步的探究，并在超構(gòu)材料、平面微腔、精密測(cè)量等科研領(lǐng)域有重要應(yīng)用。

對(duì)于光自旋霍爾效應(yīng)有效激發(fā)與調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)光子自旋角動(dòng)量的操控是上述實(shí)際應(yīng)用的最基本要求，目前已報(bào)道可通過(guò)手性超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)光自旋霍爾效應(yīng)的有效激發(fā)，但由于光學(xué)衍射極限的存在，限制了其在納米尺度的操控，阻礙了光子自旋角動(dòng)量在介觀尺度甚至量子領(lǐng)域的應(yīng)用。

陰極熒光納米顯微技術(shù)（Cathodoluminescence Microscopy,CL）作為一種非侵入性的表征方法，具有亞納米尺度超高空間分辨率和精準(zhǔn)的電子束激發(fā)能力，已被逐漸應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)光子局域態(tài)密度表征以及輻射光場(chǎng)特性等方面的研究。角分辨陰極熒光技術(shù)（Angle-resolved CL polarimetry）的利用可進(jìn)一步在動(dòng)量空間實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射方向的直接測(cè)量。此外，雖然通過(guò)超構(gòu)表面設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)輻射信號(hào)不同偏振分量在輻射方向和輻射空間上的分離，但針對(duì)未來(lái)器件小型化的趨勢(shì)，單個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)中的發(fā)光信號(hào)操控還未實(shí)現(xiàn)，如何在亞納米尺度精準(zhǔn)表征與操控單個(gè)金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其光自旋霍爾效應(yīng)是目前研究的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。

鑒于此，方哲宇課題組提出一種基于金屬納米天線的電子束操控方法（圖1A）。他們通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)稱性長(zhǎng)方體納米天線，利用電子束局域精準(zhǔn)激發(fā)獲得等離激元圓偏振偶極與四極混合電磁模式。移動(dòng)電子束激發(fā)位置可實(shí)現(xiàn)偶極與四極模式的相位移動(dòng)，進(jìn)一步操控納米結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)模式共振。通過(guò)極化角分辨陰極熒光收集光路（圖1B）可以對(duì)納米結(jié)構(gòu)不同偏振態(tài)的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射角分辨模式進(jìn)行直接表征。

圖1（A）樣品結(jié)構(gòu)示意圖；（B）角分辨陰極熒光納米顯微系統(tǒng)示意圖

最引人注目的是，這種表征手段可以在單個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)對(duì)光自旋霍爾效應(yīng)的近場(chǎng)選擇性激發(fā)，這種激發(fā)方式能夠克服傳統(tǒng)的光學(xué)激發(fā)衍射極限。電子束激發(fā)位置的移動(dòng)帶來(lái)對(duì)應(yīng)的偏振輻射模式動(dòng)態(tài)操控（圖2），在40納米左右的調(diào)控步長(zhǎng)即可實(shí)現(xiàn)光自旋霍爾效應(yīng)的“開(kāi)”和“關(guān)”，以及在80納米內(nèi)實(shí)現(xiàn)光自旋霍爾效應(yīng)偏振模式輻射方向反轉(zhuǎn)。這種深亞波長(zhǎng)尺度的光子自旋角動(dòng)量操控，可應(yīng)用于手性納米光學(xué)與自由電子量子光學(xué)研究中。

圖2（A）左右旋偏振信號(hào)遠(yuǎn)場(chǎng)角分辨模式隨電子束激發(fā)位置移動(dòng)變化；（B）散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)關(guān)系

進(jìn)一步，研究人員從原理上對(duì)近場(chǎng)光自旋霍爾效應(yīng)的操控進(jìn)行了分析。從電磁場(chǎng)模擬的金屬納米天線的多模偶極分布可以看出，激發(fā)納米結(jié)構(gòu)上邊緣中間位置時(shí)，電偶極模式與四極模式的相互作用造成了輻射信號(hào)左右旋分量的輻射方向分離，產(chǎn)生光自旋霍爾效應(yīng)。激發(fā)不同位置導(dǎo)致電四極和電偶極模式的相位變化，從而影響遠(yuǎn)場(chǎng)角分辨輻射模式。

這項(xiàng)工作提出的新型光自旋霍爾效應(yīng)電子束操控方案，為手性納米光學(xué)與自由電子量子光學(xué)的研究提供了新的研究方法。同時(shí)，該工作可指導(dǎo)未來(lái)量子信息器件納米尺度集成，在邏輯運(yùn)算、光電存儲(chǔ)及未來(lái)量子信息研究中有著重要意義，在未來(lái)納米量子器件上具有巨大的應(yīng)用潛力。

物理學(xué)院2016級(jí)博士生池騁和2015級(jí)博士畢業(yè)生蔣瞧為文章的共同第一作者，方哲宇為通訊作者。該工作得到了科學(xué)技術(shù)部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米科技重點(diǎn)專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目等支持。（北京大學(xué)物理學(xué)院）