利用双轴介电超材料实现规范场和偏振分束

众所周知,磁场或者更广义的规范场,可以使得带电粒子做回旋运动。然而,对于电中性的光子,如果能够通过材料设计产生相对应的规范场,不仅仅能实现自旋霍尔效应、Aharonov-Bohm效应的光学类比,更是全新的对光的操控手段。

2015年,香港科技大学物理系的Jensen Li教授团队提出超材料等效介质能够实现光子规范场(Phys. Rev. Lett. 114, 103902)。苏州大学物理科学与技术学院杭志宏教授团队和Jensen Li教授团队合作,通过设计出双轴超材料,成功构造二维光子规范场,并在微波波段进行了实验验证。

当光在该超材料某特定平面传播时,其等频率曲线恰好是两个大小相同、沿相反方向平移的圆,而平移的大小和方向对应于规范场的强度和方向。而这两个等频率曲线又恰好对应光的两个正交自旋模态。一束线偏振光在此种材料传播的时候,就会被分成两束自旋偏振光,且两束光会有不同的偏折方向。利用该原理,他们通过测量透过一定厚度超材料的分束行为,直接观测到了此规范场的效应。实验的结果也与该材料的等效介质参数吻合。两个正交的光偏振模态类比于带电粒子的正反电荷,相应的规范场也类比于磁矢势,可以控制不同偏振的相位。磁矢势在传统“电动力学”中被认为是无法通过光学方法测量的物理量,Aharonov-Bohm效应也仅仅是一个量子力学的效应。这项工作打破了这一传统思想,是超材料设计的最新应用。同时,这个产生正交的光偏振模态的方法,也为实现宽角度偏振变换,包括偏振分束,全角度波片和单向偏振滤波器提供了新的思路。这种简单的利用双轴非磁共振超材料设计也可以推广到光波段,为未来光器件设计、光信息处理、光子计算机的发展提供了更多的自由度。

相关研究成果发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201801582)。