[論文レビュー] Observation of enhanced optical spin Hall effect in a vertical hyperbolic metamaterial

Minkyung Kim, Dasol Lee+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 18被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、近正入射（1°）において水平なハイパーボリックメタマテリアル（hHMM）と比較して、光学スピンホール効果（OSHE）を5000倍以上増幅する垂直型ハイパーボリックメタマテリアル（vHMM）を示している。垂直配置における異方性誘電率を設計することで、s偏光およびp偏光光の透過係数に顕著な差を生じさせ、マイクロメータスケールの横方向ビームシフトを実現した。大スケールの金ナノグレーティングを用いたストークス偏光計測による実験的検証で、シミュレーションによる増幅効果が裏付けられ、532 nmで約9 µmのシフトと44%の透過率が測定され、実用的なスピン制御光デバイスの実現が可能になった。

ABSTRACT

Hyperbolic metamaterials, horizontally stacked metal and dielectric multilayer, have recently been studied as a platform to observe optical spin Hall effect. However, the large optical spin Hall effect in the horizontal hyperbolic metamaterials accompanies extremely low transmission, which obstructs its practical applications. Reducing the sample thickness to augment the transmission causes diminishment of the shift. In this letter, we demonstrate that a vertical hyperbolic metamaterial can enhance the shift by several orders of magnitude in comparison to the shift of its horizontal counterpart. Under the same conditions of material combinations and total thickness, the shift enhancement, which is incident angle-dependent, can be higher than 800-fold when the incident angle is 5 degree, and 5000-fold when the incident angle is 1 degree. As a proof of concept, we fabricate a large-scale gold nano-grating by nanoimprint lithography and measure the helicity-dependent shift by Stokes polarimetry setup, which agrees well with the simulated result. The gigantic optical spin Hall effect in a vertical hyperbolic metamaterial will enable helicity-dependent control of optical devices including filters, sensors, switches and beam splitters.

研究の動機と目的

• 水平なハイパーボリックメタマテリアル（hHMM）における高いOSHEシフトと低い透過率のトレードオフを克服すること。
• 異方性誘電率の設計を用いた垂直型ハイパーボリックメタマテリアル（vHMM）が、光学スピンホール効果（OSHE）をどのように増幅できるかを検討すること。
• 大スケールのナノ構造化デバイスとストークス偏光計測を用いて、vHMMにおける巨大なOSHEを実験的に検証すること。
• 強化されたヘリシティ依存ビーム制御を基盤として、フィルター、センサ、スイッチ、ビームスプリッターなどの実用的スピンベース光デバイスの実現を図ること。

提案手法

• 220 nm周期の2×2 cmの大スケール金ナノグレーティングをナノインプリントリソグラフィーで作製し、スケーラブルかつ再現性の高いvHMM構造を実現した。
• 傾斜付クロム蒸着とO2リアクティブアイアントンエッチングを用いてアンダーカットプロファイルを形成し、金の高精度リリースを達成することで、高忠実度のグレーティングパターンを確保した。
• 532 nmおよび638 nmの2台のダイオードレーザー、ラムダ/4波プレート、Glan-Tompson偏光子を用いたストークス偏光計測装置を構築し、ヘリシティ依存の横方向ビームシフトを測定した。
• 式 δ = (cotθi / k)(−σ(1−cosΦ₀) + χsinΦ₀) を用いて横方向シフトを計算した。ここで Φ₀ は統合ストークスパラメータ S₂ および S₃ から導出された値である。
• 局所的ケイパシティをマップするため、正規化された第3ストークスパラメータ s₃(R) = S₃(R)/S₀(R) を測定し、ヘリシティ依存の分裂を確認した。
• 実験結果をフル波動シミュレーションと比較することで、増幅メカニズムおよびビームシフトの大きさの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直型ハイパーボリックメタマテリアル（vHMM）は、従来の水平型ハイパーボリックメタマテリアル（hHMM）と比較して、光学スピンホール効果（OSHE）を顕著に増幅できるか？
• RQ2 vHMMにおける異方性誘電率構造は、s偏光およびp偏光光の透過係数差を拡大させ、結果としてOSHEを増幅させるか？
• RQ3 深サブ波長スケールのvHMMは、大きな横方向ビームシフトと高い透過率を同時に達成できるか？
• RQ4 ストークス偏光計測を用いて、大スケールで実装されたvHMMで巨大なOSHE効果が実際に観測可能か？

主な発見

• 入射角5°において、垂直型ハイパーボリックメタマテリアル（vHMM）の光学スピンホール効果は、水平型と比較して800倍以上増幅された。
• 入射角1°では、シフト増幅が5000倍を超えることが確認され、強い入射角依存性の増幅効果が示された。
• 532 nmで実験的に約9 µmのマイクロメータスケールの横方向ビームシフトが測定され、シミュレーション結果と良好に一致した。
• vHMMサンプルの透過率は532 nmで0.44 ± 0.01、632 nmで0.25であり、サブ波長厚さであるにもかかわらず高い効率を示した。
• 10回の繰り返し測定におけるシフトの標準偏差は、測定値の1%未満であり、高い実験再現性を確認した。
• ストークスパラメータマップでは、ヘリシティ依存の分裂が明確に観測され、左旋光（LCP）および右旋光（RCP）ビームがy軸方向に逆方向にシフトした。