[論文レビュー] Giant Spin Hall Effect in Single Photon Plasmonics

G. S. Agarwal, Svend‐Age Biehs|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2012

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、グラフェンおよび金属膜上の共鳴表面プラズモンを介したフォステルエネルギー移動（FRET）により、単光子プラズモニクスにおける巨大スピンホール効果（SHEL）を提案する。この効果は非パラキシアルな電気双極子場におけるスピン-軌道結合に起因し、σ⁺光子が2つの量子の軌道的角運動量を伴ってσ⁻光子に変換されることにより、プラズモン場の増幅および局所場効果のおかげでSHEL確率が4桁増加する。

ABSTRACT

We show the existence of a very large spin Hall effect of light (SHEL) in single photon plasmonics based on spontaneous emission and the dipole-dipole interaction initiated energy transfer (FRET) on plasmonic platforms. The spin orbit coupling inherent in Maxwell equations is seen in the conversion of sigma + photon to sigma - photon. The FRET is mediated by the resonant surface plasmons and hence we find very large SHEL. We present explicit results for SHEL on both graphene and metal films. We also study how the splitting of the surface plasmon on a metal film affects the SHEL. In contrast to most other works which deal with SHEL as correction to the paraxial results, we consider SHEL in the near field of dipoles which are far from paraxial.

研究の動機と目的

• パラキシアル近似を超えた単光子プラズモニクス系において、巨大スピンホール効果の実現を示すこと。
• グラフェンおよび金属膜上の共鳴表面プラズモンが、フォステルエネルギー移動（FRET）を通じてスピンホール効果をどのように強化するかを調査すること。
• 非パラキシアル場および消去波がプラズモニクスプラットフォームにおける大規模なスピン-軌道結合効果を可能にする役割を調査すること。
• SHELは、直交偏光状態の励起原子状態への励起確率移動をモニタリングすることで、実験的に観測可能であることを示すこと。

提案手法

• 電気双極子演算子と電磁場演算子を含む相互作用図式ハミルトニアンを用いて、二つの三準位原子間の相互作用をモデル化する。
• 双極子-双極子相互作用および真空中の場との結合を用いて、プラズモニクス環境下での自発的放出および吸収を記述する。
• 回転波近似を適用し、σ⁺偏光状態からσ⁻偏光状態へのFRETの遷移確率を導出する。
• 銀のドレーディー模型を用い、伝搬長および波数依存性を組み込んだ、フレネル反射係数r_pを用いて、プラズモン増幅係数Eを計算する。
• 反射係数の極および非極項の寄与を含めた、直交偏光状態への励起確率D_shを介したSHELの分析を行う。
• 誘電体基板上での表面プラズモンの分裂がSHEL増幅に与える影響を、Im[r_p]および波長依存性の3次元プロットを用いて検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォステルエネルギー移動を介したプラズモニクスプラットフォーム上での単光子プラズモニクスにおいて、巨大スピンホール効果が実現可能か。
• RQ2 電気双極子場の非パラキシアル性が、FRETにおける大規模なスピン-軌道結合および偏光変換にどのように寄与するか。
• RQ3 共鳴表面プラズモンが、真空中の値を上回るSHEL確率をどのように強化するか。
• RQ4 薄膜金属膜上での表面プラズモンモードの分裂がSHEL増幅に与える影響は何か。
• RQ5 直交偏光状態の励起原子状態への励起確率をモニタリングすることで、SHELを実験的に検出可能か。

主な発見

• 銀膜上では、表面プラズモン共鳴波長λ_sp = 291.7 nmで、共鳴プラズモン増幅のおかげでSHEL確率D_shが4桁増加する。
• E_F = 1 eVの浮遊グラフェンでは、広い波長範囲でSHEL増幅係数Eが大きく、表面プラズモンの伝搬長に規格化した距離に強く依存する。
• SHELスペクトルにおけるファノ型ラインシフトは、反射係数r_pの極項および非極項の寄与の干渉に起因する。
• 石英上に15 nmの銀膜を形成した場合、表面プラズモンの分裂により2つの異なる表面モードブランチが生じ、長距離プラズモン（λ < 300 nm）は短距離プラズモン（λ > 320 nm）よりも顕著にSHEL増幅を示す。
• 原子間距離d ≫ l（lは表面プラズモンの伝搬長）において、プラズモン増幅係数Eが指数関数的に減衰することから、この効果における消去場の役割が確認される。
• σ⁺光子からσ⁻光子への変換に伴い、2つの量子の軌道的角運動量が生成され、近場におけるスピン-軌道結合メカニズムが裏付けられる。