[论文解读] Experimental observation of transverse spin of plasmon polaritons in a single-crystalline silver nanowire

Chetna Taneja, Diptabrata Paul+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2021

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 60被引用 4

一句话总结

本研究通过实验首次展示了单晶银纳米线（AgNW）中表面等离激元极化激元（SPPs）的横向自旋特性，其中沿纳米线长轴传播的SPPs由于在x-y和x-z平面的倏逝衰减，表现出两个正交的横向自旋分量。关键结果是通过实空间与傅里叶平面中的偏振分辨测量，直接观测到自旋-动量锁定现象，该结果经三维数值模拟验证，揭示了左旋和右旋圆偏振分量中存在自旋相关的信号偏置。

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.

研究动机与目标

• 通过实验观测在准一维银纳米线（AgNW）中激发的表面等离激元极化激元（SPPs）的横向自旋分量。
• 研究沿AgNW长轴传播并在多个纵向平面中衰减的倏逝SPP模态中的自旋-动量锁定特性。
• 通过在实空间与傅里叶平面中对SPP信号进行偏振分析，验证横向自旋存在的实验依据。
• 将实验观测结果与三维数值模拟进行对比，以确保准确性和物理一致性。

提出的方法

• 使用波长为633 nm的聚焦良好、线性偏振的高斯光束激发单晶AgNW中的SPPs。
• 对实空间与傅里叶平面（FP）中直接测量的SPP信号进行偏振分析，以提取左旋和右旋圆偏振分量（LCP/RCP）。
• 测量LCP与RCP分量的强度分布，以识别自旋相关的偏置，表明存在横向自旋。
• 从实空间与FP域中LCP与RCP分量的强度差计算横向自旋密度（s₃）。
• 采用三维有限元时域（FDTD）模拟方法，对SPP传播与自旋密度进行建模，包括反向传播方向以验证结果。
• 将实验与模拟的强度分布、传播长度（L ≈ 12 µm）及波矢分量（kₓ/k₀ = 1.11）进行对比，以确认一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单晶AgNW中的倏逝SPP模态是否由于双平面衰减（x-y与x-z平面）而表现出横向自旋分量？
• RQ2 能否通过偏振分辨探测，在沿一维AgNW传播的SPP中实验观测到自旋-动量锁定？
• RQ3 横向自旋的螺旋性如何与倏逝SPP模态的波矢分量相关联？
• RQ4 实验中观测到的自旋相关信号偏置与SPP传播和自旋密度的三维数值模拟在多大程度上一致？
• RQ5 能否通过偏振分析在实空间与傅里叶平面中对横向自旋密度分布进行量化？

主要发现

• 实验测量揭示了SPP信号中左旋与右旋圆偏振分量之间的自旋相关强度偏置，证实了沿z轴方向存在横向自旋分量（s₃）。
• 通过沿纳米线长度方向的强度指数衰减，实验测得漏泄SPP模态的传播长度约为12 µm。
• 从傅里叶平面强度分布中（ky/k₀ = 0）提取出波矢分量kₓ/k₀ = 1.11，与模拟的SPP模态激发结果一致。
• 数值模拟证实，当SPP传播方向反转（kₓ/k₀ < 0）时，偏振偏置方向也发生反转，从而验证了自旋-动量锁定机制。
• 实空间与傅里叶平面中横向自旋密度（s₃）的分布表现出实验与模拟之间一致的空间模式，证实了该观测结果的稳健性。
• 本研究证明，化学合成的AgNW可支持具有可测量横向自旋的明确倏逝SPP模态，为未来自旋调控纳米光子学应用奠定了基础。