[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文展示了一种垂直超构材料（vHMM），与水平超构材料（hHMM）相比，在近正入射（1°）条件下，其光学自旋霍尔效应（OSHE）增强超过5000倍。通过在垂直构型中调控各向异性的介电张量，vHMM在s-和p-偏振光之间产生显著不同的透射系数，从而实现微米量级的横向光束位移。利用大面积金纳米光栅的斯托克斯偏振测量实验验证了模拟结果，测得在532 nm波长下横向位移约为9 µm，透射率为44%，为实现基于自旋控制的光子器件提供了可能。

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.

研究动机与目标

• 为克服传统水平超构材料（hHMM）中高OSHE位移与低透射率之间的权衡。
• 探索通过各向异性介电张量工程化，垂直超构材料（vHMM）在增强光学自旋霍尔效应（OSHE）方面的潜力。
• 通过大面积纳米结构器件与斯托克斯偏振测量，实验验证vHMM中巨大的OSHE效应。
• 通过增强的螺旋性依赖光束控制，实现基于自旋的实用光子器件，如滤波器、传感器、开关和分束器。

提出的方法

• 采用纳米压印光刻技术，制备了2×2 cm的大面积金纳米光栅（周期为220 nm），实现了可扩展且可重复的vHMM结构。
• 采用倾斜铬蒸发沉积与O2反应离子刻蚀工艺，形成倒台形结构，实现金的精确剥离，确保光栅图案的高保真度。
• 采用斯托克斯偏振测量系统，包含两台二极管激光器（532 nm和638 nm）、四分之一波片及Glan-Tompson偏振片，测量螺旋性依赖的横向光束位移。
• 利用公式 δ = (cotθi / k)(−σ(1−cosΦ₀) + χsinΦ₀) 计算横向位移，其中 Φ₀ 由积分斯托克斯参数 S₂ 和 S₃ 推导得出。
• 测量归一化的第三斯托克斯参数 s₃(R) = S₃(R)/S₀(R)，以映射局部椭圆度，并确认螺旋性依赖的分裂现象。
• 将实验结果与全波仿真进行对比，验证增强机制与光束位移量级的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统的水平超构材料（hHMM）相比，垂直超构材料（vHMM）是否能显著增强光学自旋霍尔效应（OSHE）？
• RQ2 vHMM中各向异性介电张量构型是否导致s-和p-偏振光之间透射系数差异更大，从而放大OSHE效应？
• RQ3 深度亚波长的vHMM能否同时实现大横向光束位移与高透射率？
• RQ4 通过斯托克斯偏振测量，是否可在大面积、制备好的vHMM中实验观测到巨大的OSHE效应？

主要发现

• 在入射角为5°时，垂直超构材料（vHMM）中的光学自旋霍尔效应相比水平对应结构增强了超过800倍。
• 在入射角为1°时，位移增强达到5000倍以上，显示出强烈的入射角依赖性放大效应。
• 在532 nm波长下，实验测得约9 µm的微米量级横向光束位移，与仿真结果高度一致。
• 在532 nm波长下，vHMM样品的透射率为0.44 ± 0.01，在632 nm波长下为0.25，表明尽管厚度为亚波长，仍具有高效率。
• 在十次重复测量中，位移的标准差小于测量值的1%，证实了实验的高度可重复性。
• 斯托克斯参数图中清晰观察到螺旋性依赖的分裂，左旋和右旋圆偏振光束沿y轴向相反方向发生位移。