[논문 리뷰] Observation of enhanced optical spin Hall effect in a vertical hyperbolic metamaterial

Minkyung Kim, Dasol Lee외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 25.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 수직 초평면성 광학성질을 가진 초평면성 물질(vHMM)이 수평 초평면성 물질(hHMM)에 비해 거의 수직 입사(1°) 조건에서 광학 스핀 홀 효과(OSHE)를 5000배 이상 향상시킴을 보여준다. 수직 구조에서 비대칭 허용도를 설계함으로써 s-편광 및 p-편광 빛 간의 투과 계수 차이를 크게 유도하여 마이크로미터 크기의 횡방향 빛 빔 이동을 가능하게 하였다. 대규모 금 나노그레팅을 이용한 스튜어트 편광 측정법을 통한 실험적 검증 결과, 시뮬레이션에서 예측한 향상 효과가 확인되었으며, 532 nm에서 약 9 µm의 측정 이동과 44%의 투과율을 기록하여 실용적인 스핀 제어 광학 장치의 실현 가능성을 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수평 초평면성 물질(hHMM)에서 높은 OSHE 이동과 낮은 투과율 사이의 상충 관계를 극복하기 위해.
• 비대칭 허용도 설계를 통한 수직 초평면성 물질(vHMM)의 광학 스핀 홀 효과(OSHE) 향상 잠재력을 탐색하기 위해.
• 대규모 나노구조 장치와 스튜어트 편광 측정법을 활용하여 수직 초평면성 물질에서 거대한 OSHE 효과를 실험적으로 검증하기 위해.
• 향상된 편극성 의존 빔 제어를 통해 스핀 기반 광학 장치(필터, 센서, 스위치, 빔 분할기 등)의 실현 가능성을 높이기 위해.

제안 방법

• 220 nm 주기의 대규모 금 나노그레팅(2×2 cm)을 나노인프린팅 리소그래피 기법을 사용해 제작하여 확장 가능하고 재현 가능한 vHMM의 구조를 확보하였다.
• 기울인 Cr 증착과 O₂ 반응성 이온 에칭을 통해 언더컷 프로파일을 형성하고 정밀한 리프트오프를 실현하여 고정밀도의 그레팅 패턴을 확보하였다.
• 두 개의 다이오드 레이저(532 nm 및 638 nm), 분광판, Glan-Tompson 편광판을 사용한 스튜어트 편광 측정 장치를 구성하여 편극성 의존 횡방향 빔 이동을 측정하였다.
• 공식 δ = (cotθi / k)(−σ(1−cosΦ₀) + χsinΦ₀)를 사용하여 횡방향 이동을 계산하였으며, 여기서 Φ₀는 통합된 스튜어트 매개변수 S₂와 S₃로부터 유도된다.
• 국소적 타원도를 확인하고 편극성 의존 분리 현상을 증명하기 위해 정규화된 제3 스튜어트 매개변수 s₃(R) = S₃(R)/S₀(R)를 측정하였다.
• 실험 결과를 전장 시뮬레이션과 비교하여 향상 메커니즘과 빔 이동 크기의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 초평면성 물질(vHMM)은 기존의 수평 초평면성 물질(hHMM)에 비해 광학 스핀 홀 효과(OSHE)를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 vHMM의 비대칭 허용도 구성이 s-편광 및 p-편광 빛 간의 투과 계수 차이를 크게 유도하여 OSHE를 증폭시키는가?
• RQ3 심도가 웨이브레인지 이하인 vHMM이 큰 횡방향 빔 이동과 높은 투과율을 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ4 스튜어트 편광 측정법을 통해 대규모로 제작된 vHMM에서 거대한 OSHE 효과를 실험적으로 관측할 수 있는가?

주요 결과

• 입사 각도 5°에서 수직 초평면성 물질(vHMM)의 광학 스핀 홀 효과는 수평 초평면성 물질에 비해 800배 이상 향상되었다.
• 입사 각도 1°에서 이동 향상 비율은 5000배를 초과하여 강한 입사 각도 의존성 증폭 효과를 입증하였다.
• 532 nm에서 실험적으로 약 9 µm의 마이크로미터 크기의 횡방향 빔 이동이 측정되었으며, 이는 시뮬레이션 결과와 뛰어난 일치를 보였다.
• vHMM 샘플의 투과율은 532 nm에서 0.44 ± 0.01, 632 nm에서 0.25로 측정되어 웨이브레인지 두께임에도 불구하고 높은 효율성을 보였다.
• 10회 반복 측정에서 이동의 표준편차는 측정값의 1% 미만이었으며, 높은 실험 재현성을 확인하였다.
• 스튜어트 매개변수 맵에서 편극성 의존 분리 현상이 명확히 관측되었으며, LCP 및 RCP 빛이 y축 방향으로 반대편으로 이동하는 것으로 나타났다.