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利用电子诱导光自旋霍尔效应选择性地控制光子自旋角动量

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十搏欧洲杯直播官网2021年4月28日:
7卷,没有。18日,eabf8011
DOI: 10.1126 / sciadv.abf8011

抽象的

光自旋霍尔效应(OSHE)的发展实现了不同自旋分量的分裂,有助于控制作为量子技术信息载体的光子自旋角动量。然而,由于光学衍射极限的限制,光学激励下的OSHE缺乏对深亚波长尺度光子角动量的主动控制。在本研究中,我们在金纳米天线中通过电子诱导的OSHE选择性操纵深亚波长尺度的光子自旋角动量。在单个天线单元中,当电子碰撞位置在80 nm内移动时,用角度分辨阴极发光偏振法观察到OSHE辐射模式的反转。通过这种光子自旋的选择性导向,我们提出了一种具有鲁棒性、私密性和高水平的亚波长深度集成的信息编码,用于未来的量子应用。

介绍

量子信息具有容量大、处理速度快等特点,已成功应用于现代信号传输、处理、存储等领域(1- - - - - -3.)。量子科学对实际技术的演变对计算中的特定应用有很大的优势(4)、模拟(5)和密码学(6)。在量子信息技术的开发中,找到需要高度集成的适当信息载波并且具有大的存储容量来满足量子信息应用的需要。通过Quantum entantlement,传送和铃声非光度的开创作品(7- - - - - -10)。随着对信息能力的要求增加,引入了光子旋转角动量,以提供携带量子信息的额外自由度(11- - - - - -13)。

光学旋转霍尔效应(OSHE)提供了一种用于转向光子自旋角动量的独特方法。通过旋转轨道相互作用的机制研究了光子旋转分裂(14- - - - - -18)已申请平面微腔(19,20.),超材料(21- - - - - -24)、精密测量(25- - - - - -27)等。考虑到光子自旋角动量作为一种鲁棒性强、容量大的信息载体,OSHE有望为量子技术特别是具有正交性和高维性的信息编码和密码学操纵信息载体。以往对转向OSHE的研究主要集中在结构设计上(28- - - - - -30.),光子旋转操纵可以用Pancharatnam-Berry和Rytov-Vladimirskii-Berry相移(31- - - - - -33),用于用光的旋转轨道相互作用来解释OSHE的底层物理学。最近的一项研究提出了液晶微腔中OSHE的电学调谐方法(34)。然而,这种方法很难在纳米尺度上集成。需要提出一种有效的选择性引导OSHE的解决方案,以实现其在量子信息技术和器件应用中的潜力(35),应该解决光衍射极限的障碍物,以用于将来的设备集成。

作为非侵入性高分辨率检测方法之一(36- - - - - -40),精确控制电子碰撞位置的阴极发光(CL)偏光法克服了光衍射极限(41)已成功用于深亚波长刻度的电磁场调查(42,43)。在电子束刺激下,激发位置的深亚波长位移可以直接调节局域态密度(LDOS)的分布(44- - - - - -46),促进了远场CL发射的演化。角度分辨CL极化法作为表征光子动量空间的一种方法,可以有效地检测辐射方向。因此,角度分辨CL成像偏振法可以用远场角度模式探索光子自旋,并允许研究具有高空间和角度分辨率的偏振相关现象。这种表征技术克服了光衍射极限;这为电子激发下光子自旋的选择性导向奠定了基础。

在这项工作中,我们证明了通过电子诱导的型乳房在等离子体纳米氏植物上的具有精确设计的多极矩形的光子旋转角动量的选择性操纵。利用深亚波长刻度的电子束激励位置偏移,可以通过角度分辨的CL成像偏振子与电子束冲击位置分离的偏振圆偏振(LCP)和右手圆极化(RCP)光子旋转部件的分裂位于Au Nanoantenna的边缘。通过改变电子束冲击位置,可以反转LCP和RCP的辐射图,而可以用位于Au纳米纳纳的中心的电子撞击位置检测旋转状态的非旋转模式。通过改变偶极子和四极矩片的干涉,可以有效地实现“导通”和“关断”状态之间的光子旋转分裂的开关,从而有效地实现光子旋转的选择性操纵。基于该电子诱导的OSHE,我们在单个Au纳米纳米纳内实现了旋转依赖性二进制编码。使用电子束的OSHE激发能力为光子旋转操纵提供了令人信服的平台,并为未来量子信息处理和设备设计铺平道路。

结果

电子诱导的OSHE指的是光子自旋分裂的现象,在电子激发下,自旋分量分离,观察到不对称的辐射图案(图1一个)。使用电子束光刻在200×80nm的尺寸为200×80nm的尺寸,沉积30nm au和2nm ti作为粘合剂层的尺寸制造单个au纳米蒽纳。要研究不同自旋组分的远场行为,光子旋转分裂原理图(图1 b),分析Stokes参数为年代1,年代2, 和年代3.在矢量球面谐波中的[θ,φ]空间(注意S1),这是极化的一般表示,可用于检索与偏振相关的数量(47)。所有CL测量都在扫描电子显微镜(SEM;FEI Quattro C)配备了专用的CL检测系统(Delmic),该系统由抛物面镜、旋转板偏振光学和高灵敏度的互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列组成,如图所示图1 c。穿过抛物线镜的针孔的电子束可以有效地激发样品,并且可以通过镜子收集CL发射,并使用CMOS阵列测量。将四分之一波片与线性偏振器一起放置在光路中,以提取CL发射的不同自旋组分。可以通过角度分辨的CL成像偏振基可以在目标波长下获取不同自旋组分的远场角图。

图1 旋转成分检测的示意图。

(一个)电子诱导OSHE原理图。对称的金纳米矩形天线在电子束上边缘激发下产生不对称的圆极化辐射。(B)光子自旋分析示意图。(C)角分辨CL偏振测量圆偏振辐射。采用四分之一波片和线偏振器提取CL发射的圆偏振分量。

当上边缘的中心被激发时,在光谱和远场角图中分析Au纳米南纳的Cl发射。圆极化(CP) - 溶解CL光谱(图2一个)的结果表明,LCP和RCP组分的发光峰均位于630 nm附近,与模拟结果一致(图S1),与LSP共振相比有轻微的红移(图S2)。为了表征极化态的差异,将CL手性定义为|RCP-连结控制协定|/(RCP+连结控制协定),连结控制协定(RCP)为LCP (RCP)发射的CL强度。在峰值波长630 nm附近,当CL手性小于5%时,LCP和RCP CL的强度几乎相等,这与手性LDOS分布的实验结果一致(图S3)。

图2 自旋态分析。

(一个)在30kev电子束激励下,获得了200 × 80 nm尺寸Au纳米天线的总、LCP和RCP CL光谱。刺激位置位于Au纳米天线上边缘的中间,测量到的CL手性对应于右纵坐标。(B)测量水平的角度图案(H在左边)和垂直(V在右侧)CL信号的组件。刺激位置位于Au纳米南纳的上边缘的中间,在650nm处的检测波长。(C)测量CL信号的RCP(左)和LCP(右)组件的角度图案。刺激位置和检测波长与(b)中的相同。(D)测量的角度图案年代0斯托克斯参数。(E)测量的角度图案年代3.斯托克斯参数。所有图案归一化为1.(c)到(e)的轴与(b)相同。

利用角度分辨CL成像偏振法获得了不同自旋分量的远场模式。角度模式如图所示图2 d反映了对称金属纳米纳米对称金属纳米纳米Cl发射的全向特征。然而,分析CL发射的不同旋转组分显示不对称特征。虽然观察到的对称分布HV(由笛卡尔领域建造θϕ;图2 b)表示水平和垂直状态的非向模式,远场角图案连结控制协定RCP两者都有明显的方向性,分别位于左右半球(图2 c)。为了探索LCP和RCP分量的远场行为,角度模式的年代3.研究了Stokes参数,其中观察到LCP和RCP组分的方向分裂(图2 e),同意仿真结果(图S4)。该结果证明了LCP和RCP旋转部件之间的远场模式差异,其可以应用于操纵光子旋转,同时探测具有衍射极限光学点的相同样品将洗掉观察到的型型ω(图S5)。通过进一步分析LCP和RCP部件的计算出的近场信号,观察到其近场模式的不同的空间分离,从而导致远场中的LCP和RCP部件的分裂。该分割特征与LCP和RCP强度等同物一起表明存在电子诱导的OSHE。

电子诱导OSHE在深亚波长尺度上选择性操纵自旋角动量图3。选择三个激励位置以分别以检测到600和650nm的波长(图3)。对于上边缘中间的撞击位置,为远场年代3.角度图案显示了光子旋转分裂,LCP和位于角半球的左半球处的RCP部件,其演示了OSHE的导通状态。对于位于纳米纳尼纳的中心的激发位置,未观察到LCP和RCP组分之间的分裂,这显示了对OSHE的关断状态的回归。对于位于下边缘中间的激励位置,LCP和RCP部件的相对位置反转分裂图案,其显示返回导通状态。通过40nm内的电子束偏移可以实现从导通到关闭状态的开关,并且角度图案的反转也可以通过80nm内的激励位置偏移来实现,展示有效的选择性操纵光子通过电子诱导的Oshe旋转。如图所示图3 b,仿真结果揭示了电子束在选定的三个位置上移动时的角方向图演化规律,与实验结果一致。检测波长为550和700 nm,与峰值波长(λ)偏差较大0),实验和模拟结果(图S6)均表现出较低的OSHE模式年代3.强度。这些结果表明,在远场角图中年代3.由于检测到的波长λ增加,强度增加,并且在λ=λ之后减小0。该观察结果表明,用于检测电子激发下的OSHE的合适λ为研究约为630nm,用于研究的Au纳米纳米纳。

图3 光子自旋角动量的操纵。

(一个实验归一化角CL年代3.从Au纳米尼纳的尺寸为200×80nm的尺寸获得的图案,电子刺激电压为30kev。刺激位置位于上边缘的中间,天线的中心,下边缘的中间,标记为Au纳米纳尼纳的假菌扫描电子显微镜(SEM)图像上的红色点。收集的波长分别为600和650nm。(B)模拟角CL年代3.金纳米天线的图案。电子束激发位置和收集波长与(A)中相同(C)散射比作为不同激发位置波长的函数。水平虚线对应平均散射比。误差条表示三次实验中散射比的不确定度。(D)年代3.比率(ρ)作为不同激励位置的波长的函数。年代3.比值(ρ)定义为|年代3左|/年代3对, 在哪里年代3左(年代3对)是综合的年代3.角半球的左(右)半部分的值。水平虚线对应平均的ρ值。误差条表示三个实验中ρ值的不确定度。

为了在不同的激励位置下探讨旋转状态的方向性,获得LCP的散射比作为波长的函数,其被定义为半角半球的强度比与整个角度半球更低的半角度。实验数据表明,在上边缘或下边缘激发时,测量的散射比率仍然超过20%(图3 c),其指示在远场角图案中的LCP状态的发射方向性。要调查LCP和RCP组件的分割功能,年代3.用误差棒对角半球左右两半积分得到的值来描述实验的不确定性(图3 d)。定量地描述角度上的分裂差异年代3.模式,年代3.比值(ρ)定义为|年代3左|/年代3对, 在哪里年代3左(年代3对)是综合的年代3.角半球的左(右)半部分的值。实验结果表明,当电子激发位置位于上边缘时,在550 ~ 700 nm的探测波长范围内,ρ值保持在1左右,偏差小于15%。由于刺激位置位于下边缘,ρ在相同的检测波长范围内保持−1左右,偏差低于12%。这些分析反映了LCP和RCP分量在不同碰撞位置下的分裂图差异,验证了在深亚波长尺度下,通过刺激位置移动来操纵电子诱导OSHE,从而实现了对自旋角动量的选择性操纵。

为了探讨电子束诱导的OSHE机理,用角度分辨的CL偏振仪研究了不同尺寸的Au纳米环的远场角度图案。角色图案年代3.Stokes参数见图4,其中可区分的LCP和具有等效强度的RCP分量分割(图S7)验证了不同纳米环中的OSHE的存在。实验结果表明,在检测到的650nm波长下,年代3.强度随Au纳米天线尺寸的增大而增大,这与模拟结果吻合得很好(图4 b)。

图4 金纳米天线cp分辨角图的多极分析。

(一个实验归一化角年代3.从Au纳米纳米的尺寸为200×80,200×70,200×60,180×60和160×60nm的尺寸获得的图案。刺激位置位于Au纳米南纳的上边缘的中间,具有30-kev电子束激发。收集的波长为650nm。(B)模拟角度年代3.不同尺寸金纳米天线的图案。Au纳米天线的尺寸、激发位置和采集波长与(A)中相同(C)纳米NANA中各种多极矩的模拟散射强度,大小为200×80nm。光谱对应于总强度和强度P,, 和时刻。(D)模拟尺寸为200 × 80 nm的纳米天线中各种电偶极子组分的散射强度。光谱对应于的强度Px,Py,Pz组件。插入:轴(XYZ.)的偶极取向。

为了在电子刺激下阐明观察到的ω的潜在物理,用多极分解研究了不同多极矩的散射强度,其中计算出的散射场根据一般多极散射理论分解成矢量球面谐波(48- - - - - -50) = 2 ω 4 3. c 3. | P | 2 + 2 ω 4 3. c 5 | | 2 + 4 ω 5 3. c 5 ( P · T ) + 2 ω 6 3. c 7 | T | 2 + ω 6 5 c 5 σ. | α β | 2 + ω 6 40 c 7 σ. | α β | 2 + O ( 1 5 c 7 ) (1)在哪里P,,T,αβ, 和αβ对应于电偶极子,磁偶极子,环形偶极子,电四轴和磁性四边形;c是真空中光的速度;α,β=x,y,z。边缘激励的相关分量为Py,Pz,y, 和αα,这是在存在衬底的存在下的渐近远场近似计算的渐近远场近似。PyPz组件具有显著的特征环面形状Ez纳米纳尼纳边缘处的部件,其适用于电子束转向。y组件导致电流环上xz飞机。αα在远场模式中,四极辐射表现为多极辐射瓣。从时域有限差分(FDTD)模拟数据,这些多极矩散射强度(图4摄氏度),反映了P远场角图中的力矩。这一结果表明,在550 ~ 700 nm波长范围内,对光的干涉P时刻利用了远场角图案,其中干扰模式的λ相关特征导致波长增加的角度图案演化如图所示图3。进一步计算电偶极矩的散射强度揭示了这一点Py是电偶极物的远场辐射的主要组成部分(图4 d),其中在对称轴上的刺激位置抑制了Px。电四极矩散射强度的计算表明xx,yy, 和zz是四极远场辐射的三个主要成分(图S8)。当激励位置位于金纳米天线上边缘的中间位置时,纳米天线的贡献P模式在远场角图中占主导地位,其中四极矩和偶极矩之间的π/2相位差导致LCP和RCP分量之间的这种自旋分裂(注意S2和S3)。金纳米天线的尺寸差异导致了多极矩比例的偏移P随着纳米NANNA的大小增加并导致LCP和RCP状态的远场分裂模式演化的矩增加增加。

利用纳米尺度的碰撞位置运动控制电子激发下的OSHE可用于自旋相关的二进制编码,其中深亚波长尺度的光束位移介导的光子自旋操纵可携带信息,因此在模块集成方面具有优势。编码方式依赖于年代3.辐射的斯托克斯参数,其中角半球的左侧和右半眼上的两个不同的LCP和RCP分裂图案被定义为0和1.从非匹配模式定义的擦除代码以提高信息精度。这三种模式为0,1和擦除代码对应于上边缘,下边缘和编码单元的中心上的电子束激励位置(图5)。将整个编码过程集成到深亚波长尺度的单个单元中。

图5 自旋依赖性二进制编码的示意图。

(一个)用于自旋相关二进制编码的功能单元。电子束激励位置分别位于纳米天线的上边缘的中间、下边缘的中间和中心,在Au纳米天线的伪彩色SEM图像上用三个点标记;相应的年代3.模式被定义为0,1,以及二进制编码的擦除代码。(B) ASCII码的大写字母“P”和“K”为二进制编码。(C)角度的Cl.年代3.电子束沿对应ASCII码的两条路径移动,分别输出对应大写字母“P”和“K”的二进制序列“01010000”和“01001011”。

在这种自旋依赖二进制编码中,编码单元的设计和制作尺寸为200 × 80 nm,扫描路径按照ASCII码(American Standard Code for Information Interchange)(美国信息交换标准码)(图5 b)。当电子束沿这两条路径移动时,大写字母“P”和“K”被编码并检测到远场(图5度)。该二进制编码引入了光子旋转而不是光束强度作为载体,以促进信息处理能力,这基于强度测量来增加信息容量。LCP和RCP组件之间的手性LDOS分布差异(图S3)呈现出具有不同自由电子冲击位置的偏振相关信息。LCP和RCP强度的等价可防止通过强度检测读出信息,其中光子旋转分裂的角度图案中的异化性是解除信号的关键。此外,擦除代码的引入提高了编码过程中的鲁棒性,有助于可靠的编码解决方案。这种自旋依赖性二进制编码通过施加电子激发来克服光衍射限制,并实现作为编码信息的光子自旋角动量的深亚波长级杠杆,从而利用未来量子装置的集成。

此外,光子自旋可用于信息的经典二进制编码;在未来的工作中,单量子位量子态层析技术可以进一步用于测试发射光的自旋自由度是实际的量子位还是混合态,为自由电子量子光学的研究和量子技术应用的拓展开辟了道路。另一方面,在超快电子显微镜的最新进展也可以应用于利用自由电子进行超快自旋轨道耦合调制。如果将自由电子波包以飞秒时间分辨率调制,则可以将调制速度传输到光子偏振调制,这对实现高速量子信息传输具有潜在的贡献。

讨论

总之,我们展示了一种通过电子诱导OSHE在深亚波长尺度上选择性地控制光子自旋角动量的独特方法。在40 nm内实现了OSHE的“开”和“关”状态的切换,在80 nm内观察到冲击位置移动时的远场辐射图形反转,电子激发的多极矩利用光子自旋分裂的图形演化。此外,由于自旋角动量可以作为一个很好的信息载体用于量子信息的应用,我们展示了一种自旋相关的二进制编码在单个单元内。该系统具有深亚波长尺度导向、信息容量大、保密性高等特点,在量子信息存储和处理方面具有广阔的应用前景,其高集成度和鲁棒性提高了设计在器件上的实用性。我们的工作提供了一个通过电子诱导的OSHE引导光子自旋的演示和实验结构,这对自旋轨道相互作用、手性量子光学以及与单发射体结合的量子信息技术的相关应用的现代交叉学科的研究具有启发作用。

材料和方法

以下的一些方法类似于(44)。

样品制造

在Si/SiO上制备了Au纳米结构2衬底采用标准EBL(电子束光刻)工艺,随后采用升空工艺和Ar离子辐照。将一种正极抗蚀剂{MircoChem PMMA[聚甲基丙烯酸甲酯],A2 950}旋转涂覆在基底上,厚度为~60 nm。结构的模式是使用聚焦的30 kev电子束控制的纳米模式产生系统模块,该模块安装在SEM (FEI Quanta 450 FEG)上。采用电子束蒸发器(LJUHV E-400 L)在衬底上沉积30nm的金层,并进行Ar离子辐照1 min,以清除残留的PMMA。

CL测量

CL角图案由CL检测器系统(Delmic SPARC)获取,其安装在SEM(Thermo Fisher Scientific Quattro C)上。通过高敏感的CMOS收集发射,以表征远场角图案。角度收集范围高达1.49毫升,具有角度分辨率<10mrad。为了检测CL发射的特定波长,将不同的带通滤波器放置在光路中。对于CP所分辨的CL检测,在偏振分析器模块中使用四分之一波片和线性偏振器组合,用于不同的检测波长范围。具体地,可以通过相对于偏振器的偏振轴线定向波板的快速轴线±45°来选择性地收集LCP和RCP CL发射。

数值模拟

本报告中的所有仿真结果均由商业FDTD方法求解器(FDTD解决方案,朗格卡)完成。仿真域包括在所有方向上具有完全匹配的层的结构。为了计算散射,使用具有线性和圆极化的总场散射场源来照亮 - 沿着 -z轴。在计算CL排放时,电子束沿着 -z轴线视为线性电流密度J(r,t) =ρvδ(z + vt)δ(X - X.0)δ(−y0)nz,其中ρ是电子电荷,v是电子的速度,r= (x0,y0,z)为电子束的位置,和nz单位向量是沿着+的吗z方向。在频域,它对应的电流密度为J(r, ω) = ρe-ωz / vδ(X - X.0)δ(−y0)nz,电流密度被建模为具有时间相位延迟的一系列偶极子( -z /ν)与电子速度相关,ν=0.34c,对应于30-Kev电子能量(c是光在真空中的速度)。同时还进行了参考模拟(没有纳米结构和衬底),以去除任何由电子束产生的背景信号,这些背景信号可能掩盖来自纳米结构的信号。通过积分坡印亭向量法向到任意曲面上,在远场计算CL谱z波长的半平面范围为400至1000nm。在远场区域中,球形坐标中的Poynting载体的时间平均大小可以表示为P总计0c(|Eθ|2+ |Eφ|2)/ 2,P连结控制协定0c(|Eθ- 我Eφ|2) / 4,PRCP0c(|Eθ+我Eφ|2)/4为总、LCP和RCP CL谱计算。远场区域被设置为真空。在模拟中,使用了Au (gold)、Si (silicon)复合折射率的Palik数据。SiO的折射率2取1.5。

补充材料

https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

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引用和笔记

应答:我们非常感谢Delmic CL Solutions B.V.的T. Coenen在技术支持方面的帮助,也非常感谢北京大学的Dang, X. He, D. Liu对本文的讨论。资助:国家重点研发计划(no.);国家自然科学基金资助项目(no. 2020YFA0211300);北京市自然科学基金资助项目(no. 12027807);国家重点基础研究发展计划(no . 2017YFA025700, no . 2017YFA0206000, no . 2019YFA0210203),国家自然科学基金(no . 61521004, no . 21790364),北京大学高性能计算平台。作者的贡献:z . f监督了这个项目。C.C.和Q.J.构思并设计了这个项目。所有实验均由C.C.和zl完成。C.C.和q.j完成了所有的模拟。C.C.写了手稿。L.Z.和M.J.提供了技术支持。所有作者都参与了科学讨论和手稿修订。利益争夺:作者们宣称他们没有相互竞争的利益。数据和材料可用性:评价论文结论所需的所有数据均在论文和/或补充资料中。可能要求作者提供与本文相关的其他数据。

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