聯(lián)合研究小組成功地利用非赫米特的元軌道來(lái)傳輸光線(xiàn)

將正常入射光線(xiàn)轉(zhuǎn)換為單向SPP的metagrid的示意圖。玄關(guān)的單元格由兩種不同的納米結(jié)構(gòu)組成，并誘導(dǎo)出定制的光學(xué)損耗。資料來(lái)源：POSTECH

根據(jù)物質(zhì)的特性，光在材料的表面可以被吸收或反射，或者改變其形式并轉(zhuǎn)化為熱能。在到達(dá)金屬材料的表面時(shí)，光也傾向于向金屬內(nèi)部的電子失去能量，這種廣泛的現(xiàn)象我們稱(chēng)之為 "光學(xué)損耗"。

生產(chǎn)使用光的超小型光學(xué)元件是很困難的，因?yàn)楣鈱W(xué)元件的尺寸越小，光學(xué)損耗就越大。然而，近年來(lái)，以完全不同的方式使用光學(xué)損耗的非赫米特理論已被應(yīng)用于光學(xué)研究。通過(guò)采用包容光損耗的非赫米特理論，探索利用這一現(xiàn)象的方法，在物理學(xué)上有了新的發(fā)現(xiàn)，與一般的物理學(xué)不同，光損耗被認(rèn)為是光學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)不完美組成部分。所謂 "不幸中的萬(wàn)幸"，是指最初似乎是一場(chǎng)災(zāi)難，但最終卻帶來(lái)了好運(yùn)。這個(gè)研究故事就是物理學(xué)中的變相之福。

POSTECH的Junsuk Rho教授（機(jī)械工程系和化學(xué)工程系）和POSTECH的博士生Heonyeong Jeon和Seokwoo Kim（機(jī)械工程系），以及波士頓東北大學(xué)（NEU）的Yongmin Liu教授和他們的聯(lián)合研究小組能夠利用非赫米特元光柵系統(tǒng)控制光束的方向。該論文被刊登在《科學(xué)進(jìn)展》上。

入射到元光柵上的光的可視化及其轉(zhuǎn)化為單向SPPs。(模擬）。資料來(lái)源：POSTECH

當(dāng)光入射到金屬表面時(shí)，金屬中的電子會(huì)作為一個(gè)整體與光波一起集體振蕩。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為表面等離子體極子或SPP。一個(gè) "光柵耦合器 "被廣泛用作控制SPP方向的輔助裝置。該裝置的效率是有限的，因?yàn)樗鼘⒅苯侨肷涔廪D(zhuǎn)換為非預(yù)期方向的SPPs。

研究小組應(yīng)用非赫米特理論來(lái)克服這個(gè)缺點(diǎn)。首先，研究小組計(jì)算了理論上的例外點(diǎn)，在這個(gè)例外點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)一定的光損失。然后，他們通過(guò)使用他們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的非赫米特元光柵耦合器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其有效性。事實(shí)證明，元光柵耦合器能有效地提供SSP的單向控制，這在其他光柵耦合器中幾乎是不可能的。他們還可以通過(guò)控制元光柵的大小和距離使光和SPP以相反的方向傳播。研究小組能夠使用相同的元光柵裝置實(shí)現(xiàn)將入射光線(xiàn)轉(zhuǎn)化為SSP，再轉(zhuǎn)化為正常光線(xiàn)。

觀(guān)察向右傳播的SPP和被元光柵反射的SPP之間的干涉模式。由于metagrating的單向性，SPP不會(huì)通過(guò)metagrid向相反方向傳播。資料來(lái)源：POSTECH

該研究結(jié)果可用于各領(lǐng)域的量子傳感器研究，如檢測(cè)疾病診斷的抗原或大氣中的有害氣體，與工程相結(jié)合，可為廣泛的應(yīng)用打開(kāi)大門(mén)。領(lǐng)導(dǎo)該團(tuán)隊(duì)的Junsuk Rho教授說(shuō)："這項(xiàng)研究將非赫米特光學(xué)帶到了納米級(jí)的領(lǐng)域。它將有助于開(kāi)發(fā)具有出色方向可控性和性能的未來(lái)等離子體設(shè)備"。

參考資料：Yihao Xu et al, Subwavelength control of light transport at the exceptional point by non-Hermitian metagratings, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf3510