[论文解读] Giant Spin Hall Effect in Single Photon Plasmonics

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

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 20被引用 3

一句话总结

该论文通过石墨烯和金属薄膜上共振表面等离激元介导的Förster能量转移（FRET），在单光子等离激元学中提出了一种巨大的自旋霍尔效应（SHEL）。该效应源于非傍轴偶极场中的自旋-轨道耦合，导致σ⁺光子转化为具有两个单位轨道角动量的σ⁻光子，由于等离激元场增强和局域场效应，SHEL概率实现了四个数量级的增强。

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.

研究动机与目标

• 展示在超越傍轴近似的单光子等离激元系统中实现巨大的光自旋霍尔效应。
• 探讨石墨烯和金属薄膜上的共振表面等离激元如何通过Förster能量转移（FRET）增强自旋霍尔效应。
• 研究非傍轴场和倏逝波在等离激元平台中实现大自旋-轨道耦合效应的作用。
• 表明可通过监测正交极化激发原子态的布居数来实验观测SHEL。

提出的方法

• 使用包含偶极算符和电磁场算符的相互作用绘景哈密顿量，建模两个三能级原子之间的相互作用。
• 利用偶极-偶极相互作用和真空场耦合，描述在等离激元环境中自发发射和吸收的过程。
• 应用旋转波近似，推导从σ⁺极化激发态到σ⁻极化态的FRET跃迁概率。
• 通过银的Fresnel反射系数r_p和Drude模型计算等离激元增强因子E，包含传播长度和波矢依赖性。
• 通过激发正交极化态的概率D_sh分析SHEL，包括反射系数中极点和非极点项的贡献。
• 研究在介质基底（如15 nm Ag/石英）上表面等离激元分裂的影响，通过Im[r_p]的3D图和波长依赖性研究其对SHEL增强的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过等离激元平台上的Förster能量转移在单光子等离激元学中实现巨大的光自旋霍尔效应？
• RQ2 偶极场的非傍轴特性如何促进FRET中的大自旋-轨道耦合和极化转换？
• RQ3 共振表面等离激元在超越真空值的SHEL概率增强中起什么作用？
• RQ4 在薄金属膜上表面等离激元模式的分裂如何影响SHEL增强？
• RQ5 能否通过监测正交极化激发原子态的布居数来实验检测SHEL？

主要发现

• 在银膜上，由于共振等离激元增强，在表面等离激元共振波长λ_sp = 291.7 nm处，SHEL概率D_sh实现了四个数量级的增强。
• 在悬浮石墨烯上（E_F = 1 eV），SHEL增强因子E在宽波长范围内达到极大值，且显著依赖于归一化到表面等离激元传播长度的距离。
• SHEL谱中的Fano类线型源于反射系数r_p中极点与非极点项的干涉。
• 对于15 nm厚的Ag/石英薄膜，表面等离激元分裂形成两个独立的表面模分支，其中长程等离激元（λ < 300 nm）产生的SHEL增强显著大于短程等离激元（λ > 320 nm）。
• 当原子间距d ≫ l（l为表面等离激元传播长度）时，等离激元增强因子E呈指数衰减，证实了倏逝场在该效应中的作用。
• σ⁺光子向σ⁻光子的转换伴随着两个单位轨道角动量的产生，证实了近场中自旋-轨道耦合机制的存在。