物理学院方哲宇课题组实现自由电子束调控金属纳米天线光自旋霍尔效应

　　

北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室方哲宇研究员课题组提出了一种利用超高分辨电子束操控金属等离激元调控光自旋角动量的新方法，首次在单个金属纳米结构内实现光自旋霍尔效应的观测与操纵。研究人员设计了结构对称的金属纳米天线，利用入射电子束超高分辨的特点，精准激发了金属等离激元圆偏振偶极和四极混合电磁模式，在自主研发搭建的角分辨阴极荧光纳米显微系统上，实现了光自旋霍尔效应在亚纳米尺度上的选择和操控。相关工作以“Selectively SteeringPhoton Spin Angular Momentum via Electron Induced Optical Spin Hall Effect”（自由电子束选择激发金属纳米天线光自旋霍尔效应）为题发表于《科学进展》（Science Advances 2021, 7: eabf8011）。

光子自旋角动量是光子的一种内禀特性，为调控光子行为提供了额外的自由度，有望成为新一代量子信息的载体。光自旋霍尔效应（optical spin Hall effect, OSHE）则提供了一种操控光子自旋角动量的途径，有望在未来量子信息中应用。早期相关的自旋轨道耦合物理机制已有初步的探究，并在超构材料、平面微腔、精密测量等科研领域有重要应用。

对于光自旋霍尔效应有效激发与调控，进而实现对光子自旋角动量的操控是上述实际应用的最基本要求，目前已报道可通过手性超构表面的设计实现对光自旋霍尔效应的有效激发，但由于光学衍射极限的存在，限制了其在纳米尺度的操控，阻碍了光子自旋角动量在介观尺度甚至量子领域的应用。

阴极荧光纳米显微技术（Cathodoluminescence Microscopy,CL）作为一种非侵入性的表征方法，具有亚纳米尺度超高空间分辨率和精准的电子束激发能力，已被逐渐应用于金属结构光子局域态密度表征以及辐射光场特性等方面的研究。角分辨阴极荧光技术（Angle-resolved CL polarimetry）的利用可进一步在动量空间实现对辐射方向的直接测量。此外，虽然通过超构表面设计可以实现辐射信号不同偏振分量在辐射方向和辐射空间上的分离，但针对未来器件小型化的趋势，单个金属纳米结构中的发光信号操控还未实现，如何在亚纳米尺度精准表征与操控单个金属结构实现其光自旋霍尔效应是目前研究的难点与挑战。

鉴于此，方哲宇课题组提出一种基于金属纳米天线的电子束操控方法（图1A）。他们通过设计对称性长方体纳米天线，利用电子束局域精准激发获得等离激元圆偏振偶极与四极混合电磁模式。移动电子束激发位置可实现偶极与四极模式的相位移动，进一步操控纳米结构的电磁场模式共振。通过极化角分辨阴极荧光收集光路（图1B）可以对纳米结构不同偏振态的远场辐射角分辨模式进行直接表征。

图1（A）样品结构示意图；（B）角分辨阴极荧光纳米显微系统示意图

最引人注目的是，这种表征手段可以在单个金属纳米结构中实现对光自旋霍尔效应的近场选择性激发，这种激发方式能够克服传统的光学激发衍射极限。电子束激发位置的移动带来对应的偏振辐射模式动态操控（图2），在40纳米左右的调控步长即可实现光自旋霍尔效应的“开”和“关”，以及在80纳米内实现光自旋霍尔效应偏振模式辐射方向反转。这种深亚波长尺度的光子自旋角动量操控，可应用于手性纳米光学与自由电子量子光学研究中。

图2（A）左右旋偏振信号远场角分辨模式随电子束激发位置移动变化；（B）散射强度与波长关系

进一步，研究人员从原理上对近场光自旋霍尔效应的操控进行了分析。从电磁场模拟的金属纳米天线的多模偶极分布可以看出，激发纳米结构上边缘中间位置时，电偶极模式与四极模式的相互作用造成了辐射信号左右旋分量的辐射方向分离，产生光自旋霍尔效应。激发不同位置导致电四极和电偶极模式的相位变化，从而影响远场角分辨辐射模式。

这项工作提出的新型光自旋霍尔效应电子束操控方案，为手性纳米光学与自由电子量子光学的研究提供了新的研究方法。同时，该工作可指导未来量子信息器件纳米尺度集成，在逻辑运算、光电存储及未来量子信息研究中有着重要意义，在未来纳米量子器件上具有巨大的应用潜力。

物理学院2016级博士生池骋和2015级博士毕业生蒋瞧为文章的共同第一作者，方哲宇为通讯作者。该工作得到了科学技术部国家重点研发计划纳米科技重点专项、国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目等支持。