[論文レビュー] Experimental observation of transverse spin of plasmon polaritons in a single-crystalline silver nanowire

Chetna Taneja, Diptabrata Paul+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 60被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、単結晶銀ナノワイヤ（AgNW）における表面プラズモン極性波（SPP）の横方向スピンを実験的に示した。SPPはナノワイヤの長軸に沿って伝搬し、x-y面およびx-z面の両方における消去的減衰により、互いに直交する2つの横方向スピン成分を示す。主な結果は、実空間およびフォーリエ平面での偏光分解能測定により、スピン-運動量ロックが直接観測されたことであり、3次元数値シミュレーションによって裏付けられ、左回りおよび右回り円偏光成分におけるスピン依存の信号バイアスが明らかになった。

ABSTRACT

We report the experimental observation of the transverse spin and associated spin-momentum locking of surface plasmon polaritons (SPPs) excited in a plasmonic single crystalline silver nanowire (AgNW). In contrast to the SPPs excited in metal films, the electromagnetic field components of the evanescent SPP mode propagating along the long axis ($x$ axis) of the NW can decay along two longitudinal planes ($x$-$y$ and $x$-$z$ planes), resulting in two orthogonal transverse spin components ($s_z$ and $s_y$). Analysis of the opposite circular polarization components of the decaying SPP mode signal in the longitudinal plane ($x$-$y$) reveals spin dependent biasing of the signal and hence the existence of transverse spin component ($s_z$). The corresponding transverse spin density ($s_3$) in the Fourier plane reveals spin-momentum locking, where the helicity of the spin is dictated by the wave-vector components of the SPP evanescent wave. Further, the results are corroborated with three-dimensional numerical calculations. The presented results showcase how a chemically prepared plasmonic AgNW can be harnessed to study optical spins in evanescent waves, and can be extrapolated to explore sub-wavelength effects including directional spin coupling and optical nano-manipulation.

研究の動機と目的

• 一様な一次元銀ナノワイヤ（AgNW）に励起された表面プラズモン極性波（SPP）における横方向スピン成分の実験的観測を目的とする。
• AgNWの長軸に沿って伝搬し、複数の縦断面で減衰する消去的SPPモードにおけるスピン-運動量ロックを調査することを目的とする。
• 実空間およびフォーリエ平面でのSPP信号の偏光解析を通じて、横方向スピンの存在を検証することを目的とする。
• 実験的観測結果を3次元数値シミュレーションと照合し、正確性および物理的整合性を確認することを目的とする。

提案手法

• 633 nmの高精度焦点化線形偏光ガウスビームを用いて、単結晶AgNWにSPPを励起する。
• 実空間およびフォーリエ平面（FP）での直接測定SPP信号の偏光解析により、左回りおよび右回り円偏光成分（LCP/RCP）を抽出する。
• LCPおよびRCP成分の強度分布を測定し、スピン依存のバイアスを特定することで、横方向スピンの存在を示す。
• 実空間およびFPドメインにおけるLCPおよびRCP成分の強度差から、横方向スピン密度（s₃）を計算する。
• SPPの伝搬およびスピン密度をモデル化するため、3次元有限差分時間法（FDTD）シミュレーションを用い、逆方向伝搬を含む検証も実施する。
• 実験的およびシミュレーテッド強度プロファイル、伝搬長（L ≈ 12 µm）、波数成分（kₓ/k₀ = 1.11）の比較により、一貫性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単結晶AgNWにおける消去的SPPモードは、x-y面およびx-z面の両方での減衰により、横方向スピン成分を示すか？
• RQ2 偏光分解能検出を用いたSPPの1次元AgNWに沿った伝搬において、スピン-運動量ロックを実験的に観測できるか？
• RQ3 横方向スピンのヘリシティは、消去的SPPモードの波数成分とどのように関係するか？
• RQ4 スピン依存の信号バイアスの実験的観測は、SPP伝搬およびスピン密度の3次元数値シミュレーションとどの程度一致するか？
• RQ5 偏光解析を用いて、実空間およびフォーリエ平面における横方向スピン密度分布を定量的に評価できるか？

主な発見

• 実験的測定により、SPP信号の左回りおよび右回り円偏光成分間にスピン依存の強度バイアスが確認され、z軸に沿った横方向スピン成分（s₃）の存在が裏付けられた。
• ナノワイヤ長手方向における強度の指数的減衰から、漏れ出しSPPモードの伝搬長が実験的に約12 µmであると特定された。
• ky/k₀ = 0におけるフォーリエ平面強度プロファイルから、波数成分kₓ/k₀ = 1.11が抽出され、SPPモード励起のシミュレーション結果と一致した。
• 数値シミュレーションにより、SPP伝搬方向を逆転させた場合（kₓ/k₀ < 0）に偏光バイアスが反転することが確認され、スピン-運動量ロック機構の妥当性が裏付けられた。
• 実空間およびフォーリエ平面における横方向スピン密度（s₃）分布は、実験とシミュレーションで一貫した空間パターンを示し、観測の堅牢性が確認された。
• 本研究では、化学的合成によるAgNWが明確な消去的SPPモードを支持し、測定可能な横方向スピンを有することを示した。これにより、将来的なスピン制御ナノフォトニクスへの応用が可能となる。