[논문 리뷰] Experimental observation of transverse spin of plasmon polaritons in a single-crystalline silver nanowire

Chetna Taneja, Diptabrata Paul외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 19.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 60인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 단일 결정성은 우금 나노와이어(Single-crystalline AgNW)에서 표면 플라스몬 폴리톤(SPP)의 횡방향 스핀을 실험적으로 입증한다. 여기서 SPP는 나노와이어의 긴 축을 沿해 전파되며, x-y 및 x-z 평면에서의 임계 감쇠로 인해 두 개의 수직 방향 스핀 성분을 나타낸다. 핵심 결과는 실공간 및 푸리에 평면에서의 편광 분석 측정을 통해 직접적으로 스핀-운동량 결합을 관찰한 것으로, 3차원 수치 시뮬레이션에 의해 확인되었으며, 좌·우회전 편광 성분에서 스핀에 의존하는 신호 편향이 드러났다.

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.

연구 동기 및 목표

• 1D 은 나노와이어( AgNW)에서 진동하는 표면 플라스몬 폴리톤(SPP)의 횡방향 스핀 성분을 실험적으로 관측하기.
• AgNW의 긴 축을 따라 전파되고 다중 종방향 평면에서 감쇠되는 임계 SPP 모드에서의 스핀-운동량 결합을 연구하기.
• 실공간 및 푸리에 평면에서 SPP 신호의 편광 분 析를 통해 횡방향 스핀 존재를 검증하기.
• 실험적 관측 결과를 3차원 수치 시뮬레이션과 연계하여 정확성과 물리적 일관성 확보하기.

제안 방법

• 633 nm 파장의 강하게 집광된 선형 편광된 가우시안 레이저 빔을 사용하여 단일 결정성 AgNW에서 SPP를 자극하기.
• 실공간 및 푸리에 평면(FP)에서 직접 측정된 SPP 신호의 편광 분석을 통해 좌·우회전 편광(LCP/RCP) 성분 추출하기.
• LCP 및 RCP 성분의 강도 분포 측정을 통해 스핀에 의존하는 편향을 확인하고, 이는 횡방향 스핀을 나타냄.
• 실공간 및 FP 영역에서 LCP와 RCP 성분 간 강도 차이를 바탕으로 횡방향 스핀 밀도(s₃) 계산하기.
• SPP 전파 및 스핀 밀도를 모델링하기 위해 3차원 유한차분시간영역(FDTD) 시뮬레이션 수행하고, 반대로 전파 방향을 변경하여 검증하기.
• 실험 및 시뮬레이션의 강도 프로파일, 전파 길이(L ≈ 12 µm), 波수 성분(kₓ/k₀ = 1.11) 비교를 통해 일관성 확인하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 결정성 AgNW에서의 임계 SPP 모드는 x-y 및 x-z 평면에서의 이중 평면 감쇠로 인해 횡방향 스핀 성분을 나타내는가?
• RQ2 편광 분해 측정을 통해 1D AgNW를 따라 전파되는 SPP에서 스핀-운동량 결합을 실험적으로 관찰할 수 있는가?
• RQ3 임계 SPP 모드의 파수 성분과 관련하여 횡방향 스핀의 헬리시티는 어떻게 연결되는가?
• RQ4 스핀에 의존하는 신호 편향의 실험적 관측 결과가 SPP 전파 및 스핀 밀도의 3차원 수치 시뮬레이션과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 편광 분석을 통해 실공간 및 푸리에 평면에서 횡방향 스핀 밀도 분포를 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 실험 측정 결과, SPP 신호의 좌·우회전 편광 성분 간 스핀에 의존하는 강도 편향이 관측되어, z축을 따라 횡방향 스핀 성분(s₃) 존재가 확인되었다.
• 감쇠하는 SPP 모드의 전파 길이는 나노와이어 길이에 따라 강도의 지수 감쇠를 분석하여 실험적으로 약 12 µm로 결정되었다.
• 푸리에 평면에서 ky/k₀ = 0에서의 강도 프로파일을 분석하여 파수 성분 kₓ/k₀ = 1.11을 추출하였으며, 이는 시뮬레이션된 SPP 모드 자극과 일치하였다.
• 수치 시뮬레이션 결과, SPP 전파 방향을 뒤집었을 때( kₓ/k₀ < 0) 편광 편향이 반전됨을 확인하여 스핀-운동량 결합 메커니즘이 검증되었다.
• 실공간 및 푸리에 평면에서의 횡방향 스핀 밀도(s₃) 분포는 실험과 시뮬레이션 간 일관된 공간적 패턴을 보였으며, 관측 결과의 견고함을 확인하였다.
• 본 연구는 화학적 합성된 AgNW가 측정 가능한 횡방향 스핀을 갖는 잘 정의된 임계 SPP 모드를 지닌다는 것을 입증하였으며, 향후 스핀 제어 나노광학 응용에 기여할 수 있다.