联合研究小组成功地利用非赫米特的元轨道来传输光线
发布时间：2023-05-26 08:00:00 阅读数： 20
将正常入射光线转换为单向SPP的metagrid的示意图。玄关的单元格由两种不同的纳米结构组成，并诱导出定制的光学损耗。资料来源：POSTECH
根据物质的特性，光在材料的表面可以被吸收或反射，或者改变其形式并转化为热能。在到达金属材料的表面时，光也倾向于向金属内部的电子失去能量，这种广泛的现象我们称之为 "光学损耗"。
生产使用光的超小型光学元件是很困难的，因为光学元件的尺寸越小，光学损耗就越大。然而，近年来，以完全不同的方式使用光学损耗的非赫米特理论已被应用于光学研究。通过采用包容光损耗的非赫米特理论，探索利用这一现象的方法，在物理学上有了新的发现，与一般的物理学不同，光损耗被认为是光学系统的一个不完美组成部分。所谓 "不幸中的万幸"，是指最初似乎是一场灾难，但最终却带来了好运。这个研究故事就是物理学中的变相之福。
POSTECH的Junsuk Rho教授（机械工程系和化学工程系）和POSTECH的博士生Heonyeong Jeon和Seokwoo Kim（机械工程系），以及波士顿东北大学（NEU）的Yongmin Liu教授和他们的联合研究小组能够利用非赫米特元光栅系统控制光束的方向。该论文被刊登在《科学进展》上。
入射到元光栅上的光的可视化及其转化为单向SPPs。(模拟）。资料来源：POSTECH
当光入射到金属表面时，金属中的电子会作为一个整体与光波一起集体振荡。这种现象被称为表面等离子体极子或SPP。一个 "光栅耦合器 "被广泛用作控制SPP方向的辅助装置。该装置的效率是有限的，因为它将直角入射光转换为非预期方向的SPPs。
研究小组应用非赫米特理论来克服这个缺点。首先，研究小组计算了理论上的例外点，在这个例外点附近会出现一定的光损失。然后，他们通过使用他们专门设计的非赫米特元光栅耦合器进行实验来验证其有效性。事实证明，元光栅耦合器能有效地提供SSP的单向控制，这在其他光栅耦合器中几乎是不可能的。他们还可以通过控制元光栅的大小和距离使光和SPP以相反的方向传播。研究小组能够使用相同的元光栅装置实现将入射光线转化为SSP，再转化为正常光线。
观察向右传播的SPP和被元光栅反射的SPP之间的干涉模式。由于metagrating的单向性，SPP不会通过metagrid向相反方向传播。资料来源：POSTECH
该研究结果可用于各领域的量子传感器研究，如检测疾病诊断的抗原或大气中的有害气体，与工程相结合，可为广泛的应用打开大门。领导该团队的Junsuk Rho教授说："这项研究将非赫米特光学带到了纳米级的领域。它将有助于开发具有出色方向可控性和性能的未来等离子体设备"。
参考资料：Yihao Xu et al, Subwavelength control of light transport at the exceptional point by non-Hermitian metagratings, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf3510
