宁波大学汤世伟课题组：自旋解耦Pancharatnam-Berry超表面的基础和应用

第一作者：仇迎丞

通讯作者：汤世伟，丁飞

通讯单位：宁波大学物理科学与技术学院

研究背景

圆极化电磁波的随意调控在从手性分子操纵到光通信的广大领域都具有非常重要的应用，但是传统的基于自然材料的电磁器件往往功能有限、体积庞大且效率低下。最近的研究表明：Pancharatnam-Berry(PB)相位超表面在调控不同频率范围的圆极化波方面具有出色的能力，因此可以将不同功能集成到单个平面器件构成多功能PB超器件。然而，对于两个不同的自旋，PB相位的符号刚好是相反的，导致对左旋和右旋圆极化波来说器件的功能是锁定和镜像的，这限制了PB相位超表面在多功能电磁器件方面的应用。

内容简介

自旋解耦超表面通过结合旋转方位相关的PB相位和尺寸相关的传播相位来解决自旋锁定的问题。本文中，我们回顾了这种超表面的基本原理和应用，为实现自旋解耦功能提供了一个通用和实用的指南，这对于圆极化波多功能超表面的研究是非常有意义的。最后，我们对这一快速发展的研究领域的未来方向进行了简短的总结和个人展望，以期激发新的研究成果，在未来的应用中有所帮助。

图文概览

一、Pancharatnam-Berry(PB)超表面简介

我们首先简要介绍了PB相位的物理性质。早在1956年，Pancharatnam教授就指出，当x-y平面内排布的谐振器相对于x轴旋转θ角时，相反自旋的散射波可以获得额外的相位因子。这种额外的相位，后来被Berry教授解释为几何相位，恰好等于连接庞加莱球上南极和北极的两条不同轨迹包围的区域立体角的一半，代表两个谐振器上的两个自旋相反的散射过程。因此，PB相位完全由输入光的自旋状态和散射体的方位角决定，表现出与共振相关相位不同的无色散特征。

PB相位超表面因其对不同频率范围的圆极化波具有强大的调控能力而受到广泛关注，相对于传统的光学材料，具有紧凑性、平面构型、多功能性和高效率等优势。目前已经报道了多种利用PB相位原理的平面光学器件，例如：电磁波偏转器、平面成像透镜、轨道角动量光束产生器和表面等离子激元耦合器。图1给出了基于PB相位的几种典型的光学器件。

图1 (a)等离子体链中的光学自旋霍尔效应。【Nano Letters,2011,11(5): 2038–2042】（b)折射偶极子阵列的图像和示意图，从中可以观察到从可见光到近红外波长的宽带异常折射。【Nano Letters, 2012, 12(11): 5750-5755】(c)在反射超表面上实现100%效率的光学自旋霍尔效应：镜面反射模式完全消失，当线偏振光入射时，它会分裂成两个自旋极化的反射光束。【Advanced Optical Materials, 2015, 3(8): 1102-1108】(d)圆极化入射光束在纳米棒阵列构成的超表面上反射，在远场生成全息图。【Nature Nanotechnology, 2015, 10(4): 308-312】(e)透射模式下满足条件的PB超表面实现100%效率的光学自旋霍尔效应。【Physical Review Applied, 2017, 7(4): 044033】(f)在660nm波长下设计的透射几何相位超透镜。【Science, 2016, 352(6290): 1190-1194】

二、基于“拼凑”概念的自旋解耦超构表面

如上所述，PB超表面可以任意调控对入射电磁波的响应，从而实现各种电磁波操控功能。随着现代科学技术对数据存储容量和信息处理速度日益增长的需求，电磁器件集成的地位越来越重要，随着各种重要应用的涌现也引起了人们的广泛关注。在这一发展进程中，科学家和工程师追求的目标是使小型化的器件尺寸尽可能小，同时尽可能多地配备强大的功能。一个简单方案是利用所谓“拼凑”的概念来设计多功能超表面。其中人们首先设计出具有各自功能的超表面，然后将这两个结构简单地拼凑在一起，构造出多功能电磁波调控器件。在图2中，我们给出了几个例子来说明该方案的工作原理和相关应用。

在回顾这些基于“拼凑”概念的多功能超表面时，我们发现这种设计策略从物理上说是显而易见并且易于实现的。然而，为了使这种“拼凑”的设计能够起作用，所采用的超原子必须具有非常简单的结构(比如，金属棒)以避免重叠。这些超原子通常不能实现100%效率的PB超表面，这就导致除了实现期望的功能之外，它们还会产生背景噪声。因此，此类多功能超表面通常会有效率低和功能相互干扰的问题。

图2基于“拼凑”概念设计的多功能器件。(a)无需多次测量和干涉仪结构的光束偏振态检测器件。【Optica, 2015, 2 (8): 716-723】（b）由间隙等离子体纳米天线组成的分区、交错和谐波响应几何相位超表面。【Science, 2016, 352(6290): 1202-1206】(c)无序梯度超表面。【ACS Photonics, 2015, 2(5): 661-667】(d)不同圆极化波照射下可以产生多个全息图的超表面。【Nature Communications, 2015, 6: 8241】(e)根据入射圆极化波的旋向可以产生全息图像或涡旋光束的多功能超表面。【ACS Photonics, 2017, 4(8): 1906-1912】(f)根据入射圆极化波的旋向可以实现聚焦和全息成像的多功能超表面。【Advanced Optical Materials, 2016, 4(2): 321-327】

三、基于组合相位的自旋解耦超构表面

虽然可以通过“拼凑”的概念实现多种功能的集成，但PB超表面自旋锁定的限制仍然存在，从而导致器件效率低且存在固有的串扰。最近，研究人员通过把取向相关的几何相位和尺寸相关的传播相位相结合，克服了传统PB相位超表面对不同圆极化波的相位响应符号相反的固有局限性，为基于单个超表面实现正交圆极化波的自旋解耦功能提供了一般性和实用性的参考。基于这种方法，目前已经实现了各种自旋解耦的多功能超表面，如自旋复用全息成像、任意自旋-轨道角动量转换器、自旋解耦多焦点超构透镜、自旋解耦波前整形和偏振转换等。

结合反射场的几何相位和传播相位，首先实现了反射式的自旋解耦多功能超表面。基于组合相位的反射式圆极化波多功能超表面比较容易实现，并且一般具有较高的效率和较宽的工作带宽。在图3中，我们介绍了几种反射式的圆极化多功能超表面。

图3中的自旋解耦超表面主要集中于对传播波的调控，同时实现对传播波和表面波的高效自旋解耦操控到目前为止在很大程度上仍未被探索。图4介绍了几种与表面波相关的圆极化多功能超表面，从中可以看到：表面波也可以像传播波一样被任意的调控，实现多种不同的功能。

与反射式器件相比，透射式自旋解耦多功能超表面更具有实际应用价值，图5介绍了几种透射式的圆极化多功能超表面。值得一提的是由于透射结构对材料损耗的要求比较高，所以透射式超表面一般都采用介质材料。

图3：(a)基于自旋解耦超表面的四端口多路复用器。【Advanced Materials Technologies, 2020, 5: 1900710】(b)同时产生倾斜平面波前和聚焦波前的反射式自旋解耦超表面。【ACS Photonics, 2019, 6: 211-220】(c)圆偏振光旋向相关的双功能反射超表面。【Physical Review Applied, 2019, 11(4): 044043】（d）基于编码设计的自旋解耦超表面实现双通道波前裁剪。【Annalen der Physik, 2020, 532 (3): 1900472】(e)根据圆偏振光旋向产生不同矢量光场的自旋解耦超表面。【Nanophotonics, 2020, 10: 685-695】

图4：(a)实现传播波和表面波自旋解锁操控的超表面，可将旋向相反的入射圆极化波转换为具有不同波前并向相反方向传播的表面波。【Nanophotonics, 2020, 9(10): 3473-3481】(b)PB超表面将旋向相反的入射圆极化波分别转换成聚焦和偏折的表面波。【Advanced Science, 2020, 7(19): 2000982】(c-d)旋向相反的入射圆极化波分别实现单向表面波激发和反常折射，（c）和（d）分别是微波波段【Optics Express, 2019, 27 (13): 18928-18939】和光波段【ACS Photonics, 2020, 7(7): 1849-1856】。

图5：(a)基于金属谐振结构的透射和反射式自旋解耦多功能超构表面；【Annalen der Physik, 2018, 530(1): 1700321】（b-f）基于介质材料的自旋解耦超构表面：(b)用单个TiO₂超表面实现两个独立的手性全息成像【Physical Review Letters, 2017, 118(11): 113901】；（c）左旋和右旋圆偏光入射时纳米印刷超表面的成像【Physical Review Letters, 2020, 125(26): 267402】；(d)具有手性超原子的自旋解耦超表面【Nano Letters, 2021, 21(4): 1815-1821】；(e)基于介质超表面产生多种柱面矢量光束【Nanophotonics, 2020, 9(10): 3393-3402】；(f)自旋复用光学成像系统【Nano Letters, 2020, 20(4): 2791-2798】。

总结

本文简要回顾了自旋解耦PB超表面的发展。我们首先介绍了PB超表面的机理，然后总结了一类基于“拼凑”概念的针对圆极化波的多功能PB超表面。之后，我们展示了一种结合几何相位和传播相位的自旋解耦超表面，并按透射式、反射式、表面波方式分类回顾了这种自旋解耦超表面的研究进展。根据我们的研究经验，在自旋解耦PB超表面方面有很多大有可为的未来研究方向，例如可调自旋解耦PB超表面。到目前为止，大多数多功能超表面只能实现静态功能，因此，制备可调谐的自旋解耦PB超表面，并在较快的切换速度下对圆极化波进行主动可调的操控，是未来发展的一个重要方向。

作者介绍

汤世伟，宁波大学副教授，宁波大学物理系系主任。2013年博士毕业于复旦大学物理系，主持和参与了多项国家自然科学基金项目。主要从事电磁超构表面和微纳米光学的研究工作，研究内容主要包括超构表面对电磁波相位、振幅、偏振、频率等性质的调控研究，超构材料的有效媒质理论和应用研究，超构材料在非线性光学和谐振腔等方面的应用研究。目前已经在Advanced Materials, Advanced Functional Materials, ACS Nano, Small, Physical Review B，Optics Express等期刊上发表SCI论文60余篇(ESI高被引论文4篇)，共被引用次数超过2100次，H因子23。

丁飞，南丹麦大学（University of Southern Denmark）助理教授，博士生导师，美国光学学会高级会员。2015年于浙江大学取得光学工程博士学位，2015年至2019年在南丹麦大学微纳光学中心从事博士后研究。主要从事微纳光学、等离子体光学和超构介质/表面的研究工作，迄今发表学术论文50余篇，9篇论文获评ESI高被引论文，Web of Science总引用2900余次，H因子23，在国内外学术会议作受邀或主题报告20余次。目前是学术期刊IEEE Photonics Journal的Associate Editor。荣获2021 Villum Young Investigator，2018和2019 PIERS青年科学奖，2014王大珩光学奖等奖项。