[논문 리뷰] Giant Spin Hall Effect in Single Photon Plasmonics

G. S. Agarwal, Svend‐Age Biehs|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 24.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 20인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 그래핀 및 금속 필름의 공 resonance 표면 플라스모나를 통해 매개되는 두 원자 간의 포르스터 에너지 전달(FRET)을 통한 단광자 플라스모닉스에서 거대한 빛의 스핀 홀 효과(SHEL)를 제안한다. 이 효과는 비파라크실 확률장에서 스핀-오르비탈 결합에 기인하며, σ⁺ 광자를 두 개의 궤도 운동량을 가진 σ⁻ 광자로 변환시켜 플라스모닉 필드 증폭 및 국소 필드 효과로 인해 SHEL 확률이 10⁴배 향상된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 파라크실 근사 이론을 초월한 단광자 플라스모닉 시스템에서 거대한 빛의 스핀 홀 효과를 입증하는 것.
• 공 resonance 표면 플라스모나를 통해 포르스터 에너지 전달(FRET)을 통한 스핀 홀 효과 증폭 메커니즘을 탐구하는 것.
• 비파라크실 필드 및 잔류파가 플라스모닉 플랫폼에서 큰 스핀-오르비탈 결합 효과를 가능하게 하는 역할을 분석하는 것.
• 스핀 홀 효과(SHEL)가 수직 편광된 자극 상태로의 인구 전이를 통해 실험적으로 관측될 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 디폴 전단 연산자와 전자기장 연산자를 포함한 상호작용 그림 해밀토니안을 사용하여 두 개의 삼수준 원자 간의 상호작용을 모델링한다.
• 디폴-디폴 상호작용과 진공 필드 결합을 통해 플라스모닉 환경 존재 하에서 자발적 방출 및 흡수를 기술한다.
• 회전파 근사법을 적용하고 σ⁺ 편광 상태에서 σ⁻ 편광 상태로의 FRET 전이 확률을 유도한다.
• 플라스모닉 증폭 인자 E를 계산하기 위해 프레넬 반사 계수 r_p와 은의 드루드 모델을 사용하며, 전파 길이 및 波벡터 의존성을 포함한다.
• 반사 계수의 극점 및 비극점 항목 기여를 포함하여 수직 편광 상태 자극 확률 D_sh 를 통한 SHEL 분석을 수행한다.
• 유전체 기판에서의 표면 플라스모나 분열 효과(예: 실리카 기반 15 nm Ag)와 그 SHEL 증폭에 미치는 영향을 3차원도로 Im[r_p] 및 파장 의존성 분석을 통해 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라스모닉 플랫폼에서 FRET를 통해 단광자 플라스모닉스에서 거대한 빛의 스핀 홀 효과를 실현할 수 있는가?
• RQ2 디폴 필드의 비파라크실 성질이 FRET에서 큰 스핀-오르비탈 결합 및 편광 변환에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 공 resonance 표면 플라스모나가 진공 상태의 값보다 SHEL 확률을 어떻게 증폭시키는가?
• RQ4 박막 금속 필름에서 표면 플라스모나 모드 분열이 SHEL 증폭에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 수직 편광된 자극 상태의 인구를 모니터링하여 SHEL를 실험적으로 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 은 필름에서 표면 플라스모나 공 resonance 파장 λ_sp = 291.7 nm 에서 SHEL 확률 D_sh 는 공 resonance 플라스모닉 증폭으로 인해 4개의 주자수 증폭된다.
• E_F = 1 eV 인 부양된 그래핀에서 SHEL 증폭 인자 E 는 넓은 파장 범위에서 큰 값을 보이며, 표면 플라스모나 전파 길이에 대해 정규화된 거리에 크게 의존한다.
• SHEL 스펙트럼에서의 Fano 유사 선형형태는 반사 계수 r_p 의 극점 및 비극점 기여 간의 간섭에 기인한다.
• 실리카 기반 15 nm 은 필름에서 표면 플라스모나 분열은 두 개의 별개의 표면 모드 분지로 이어지며, 장거리 플라스모나(λ < 300 nm)는 단거리 플라스모나(λ > 320 nm)보다 훨씬 큰 SHEL 증폭을 유도한다.
• 상호작용 거리 d ≫ l 일 때 플라스모닉 증폭 인자 E 는 지수적으로 감소하며, 이는 잔류파의 역할을 확인한다.
• σ⁺ 광자에서 σ⁻ 광자로의 변환은 두 개의 궤도 운동량을 생성하며, 이는 근접장에서 스핀-오르비탈 결합 메커니즘이 성립함을 확인한다.