一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构制造技术

本发明专利技术公开了一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，该金属微纳结构包括二氧化硅衬底(1)及连接在二氧化硅衬底上的刻有微纳结构(2)的金属表面(3)；微纳结构(2)是刻在金属表面上的空气凹槽；取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴。由入射光与轨道的自旋‑轨道相互作用引起的这种自旋角动量相反的光子垂直照射在本发明专利技术中所引起的表面等离激元传输方向不同的现象即为光的自旋霍尔效应。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微纳光学领域，更具体的说，涉及一种能够实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构。
技术介绍
金属微纳结构作为特异材料的重要组成，通过在结构的关键尺度上的对结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。随着微纳金属结构的提出，不同种类的人工微纳结构越来越引起人们的关注，也逐渐应用到不同的领域。金属微纳结构研究的前期工作主要是实现对材料的介电常数和磁导率的调节，自从2002年利用传输线制备介电常数和磁导率同时为负的左手材料的思想被提出后，人们对基于传输线的特异材料进行了大量的研究，2012年刘若鹏等人在专利“2011101795271”中提出了具有不同介电常数的新型超材料，能够满足不同的电场响应需求。与此同时，金属微纳结构引起的表面等离激元的研究引起人们的关注，所谓表面等离激元[surfaceplasmonpolariton(SPP)]即光入射到刻有特定微纳结构的金属表面后，外部电磁波和金属结构相互作用，引起金属与介质分界面上自由电子发生集体震荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波即为表面等离激元。通过控制微纳结构的形状及排布可以操控表面等离激元的传播途径，可以解决光学中长期不能解决的问题，如高密度光学存储，近场光学探测等。所谓光自旋霍尔效应，即光束在经过非均匀介质后，自旋角动量相反(左、右旋圆偏振)的光子在垂直于入射面的横向相互分离，造成光束的自旋分裂，它类似于电子系统中的自旋霍尔效应。2008年Hosten和Kwiat首次在实验中直接观察到了光的自旋霍尔效应[science,2008,319:787],此外以色列Hasman小组在2008年通过与自旋相关的表面等离激元实验也证明了光的自旋霍尔效应[Phy.Rev.Lett.,2008,101:043903]。由于对表面等离激元的研究对探索新型微纳光子学器件有重要的意义，所以研究新的和自旋相关的表面等离激元效应显得更加重要。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，通过入射光和该金属结构的自旋-轨道相互作用实现能够实现局域表面等离子激元的涡旋和表面等离激元的方向性传输。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，该金属微纳结构包括二氧化硅衬底及连接在二氧化硅衬底上的刻有微纳结构的金属表面；微纳结构是刻在金属表面上的空气凹槽；取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴。优选的，所述的金属表面由银、铜、铝或者金制成。优选的，所述的微纳结构为椭圆圆环形空气纳米谐振腔，该谐振腔内长轴半径为a，短轴半径为b，长轴方向腔体宽度为g1,短轴方向腔体的宽度为g2。优选的，所述的a＝150nm，b＝50nm，g1＝150nm,g2＝100nm。优选的，所述微纳结构的按周期P排列，实现表面等离激元方向性传输，其相邻结构间x，y方向的距离为Px，Py。优选的，P＝1343.5nm，Px＝Py＝950nm。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益效果：该金属微纳结构可以实现±45°(入射光偏振方向和x轴方向的夹角)线偏振光入射时在纳米狭缝里出现局域的表面等离激元的涡旋，不同自旋角动量的圆偏振光(当迎着光的传播方向观察时，若一个场点的电矢量端点描出的椭圆沿顺时针方向旋转，称之为右旋，沿逆时针方向旋转，称之为左旋)入射时纳米狭缝里表面等离激元局域方向沿±45°方向，将该结构沿±45°方向周期性排列，形成特异材料表面(metasurface)，此时满足左旋和右旋圆偏振光入射时金属和二氧化硅接触面上表面等离激元沿不同方向传输，这种与光的自旋相关的表面等离激元效应即为光的自旋霍尔效应。本专利技术为新型金属微纳结构，该结构由二氧化硅衬底，以及连接在二氧化硅衬底上的刻有椭圆圆环形空气纳米谐振腔的金属表面组成。取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴。由于所设计的椭圆型纳米空腔具有简并的几何电子数即满足：l＝±1，所以当不同偏振方向的入射光照射到结构表面时发生自旋-轨道相互作用造成简并解除，实现了局域表面等离激元局域方式不同。由于线偏振光不具有自旋角动量所以满足σ＝0，圆偏振光自旋角动量由光的自旋方向决定，即右旋圆偏振光满足自旋σ＝1，左旋圆偏振光满足自旋σ＝-1。当不同自旋的光入射到椭圆纳米谐振腔时入射光和结构发生自旋轨道相互作用，实现了线偏振光的局域表面等离涡旋，和圆偏振光的局域表面等离激元线性震荡。此外根据局域表面等离激元在纳米谐振腔的局域方式不同，该结构按照±45°(与x方向的夹角)方向周期性排列时线偏振光入射所引起的表面等离激元传播方向相同，左旋和右旋圆偏振光所引起的表面等离激元传播方向分别沿+45°和-45°方向。附图说明图1是本专利技术的三维结构示意图。图2是本专利技术沿OZ轴方向的正视图。图3表示本专利技术±45°线偏振光沿OZ方向入射时，椭圆纳米谐振腔局域表面等离激元均如阴影部分所示分布。图4a箭头方向表示+45°线偏振光沿OZ方向入射本到专利技术时，椭圆纳米谐振腔能流方向为逆时针。图4b箭头方向表示-45°线偏振光沿OZ方向入射到本专利技术时，椭圆纳米谐振腔能流方向为顺时针。图5a是左旋圆偏振光沿OZ方向入射到本专利技术时，椭圆纳米谐振腔局域表面等离激元分布在阴影区域(+45°方向)。图5b是右旋圆偏振光沿OZ方向入射本专利技术时，椭圆纳米谐振腔局域表面等离激元分布在阴影区域(-45°方向)。图6是本专利技术沿+45°和-45°方向周期性排列的结构示意图，及局部细节图。图7本专利技术周期性排列后所激发的表面等离激元(SPP)传播方向图。图中有：二氧化硅衬底1、椭圆型纳米谐振腔2、金属表面3.具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。为了更清楚的说明本专利技术的技术方案及良好的效果，下面对本专利技术的技术方案进行详细的说明。如图1和图2所示，本专利技术公布了一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，包括二氧化硅衬底1及连接在二氧化硅衬底上的刻有微纳结构2的金属表面3。微纳结构2是刻在二氧化硅衬底上的空气凹槽。结构具有简并的几何电子数。取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴。该谐振腔内长轴半径为a，短轴半径为b，长轴方向腔体宽度为g1,短轴方向腔体的宽度为g2。作为优选，所述的g1≠g2，g1＝150nm，g2＝100nm，a＝150nm，b＝50nm。当结构参数为该参数时作用于入射波长为λ0＝1587nm，此时银金属和二氧化硅介质分界面上表面等离激元的波长(其中εm和εd表示银和二氧化硅的介电常数)，局域表面等离激元涡旋和局域表面等离激元线性震荡效果最优。进一步，所述的金属微纳结构金属面的厚度为150nm，改变金属膜厚度对实验效果影响不大。进一步，所述的金属微纳结构沿+45°方向和-45°方向周期性排列，45°方向的周期为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，其特征在于，该金属微纳结构包括二氧化硅衬底(1)及连接在二氧化硅衬底上的刻有微纳结构(2)的金属表面(3)；微纳结构(2)是刻在金属表面上的空气凹槽；取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴。

【技术特征摘要】
1.一种实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，其特征在于，该金属微纳结构包括二氧化硅衬底(1)及连接在二氧化硅衬底上的刻有微纳结构(2)的金属表面(3)；微纳结构(2)是刻在金属表面上的空气凹槽；取金属与空气接触面内椭圆纳米凹槽的圆心为O点，过该点平行于长轴的轴为OX轴，垂直于长轴的轴为OY轴,垂直于XOY面由金属面指向外的方向为OZ轴。2.根据权利要求1所述的实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，其特征在于，所述的金属表面由银、铜、铝或者金制成。3.根据权利要求1所述的实现光自旋霍尔效应的金属微纳结构，其特征在于，所述的微纳结构(2)为椭...

【专利技术属性】
技术研发人员：董正高，王英华，李家奇，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32