南科大戴亞南課題組實現(xiàn)片上時空等離激元渦旋的可控合成與超快成像

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，南方科技大學(xué)物理系、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心、深圳先進(jìn)光源研究院戴亞南副教授課題組與合作者在片上時空結(jié)構(gòu)光場的可控產(chǎn)生與超快成像方面取得研究進(jìn)展，相關(guān)成果以 “Synthetic Spatiotemporal Plasmonic Vortices on Chip”為題發(fā)表在國際物理學(xué)期刊 Physical Review Letters。
 

　　研究團(tuán)隊提出“時空工程”策略，在金屬芯片表面合成出一類新型片上拓?fù)浣鼒?mdash;時空等離激元渦旋(spatiotemporal plasmonic vortex, STPV)，并利用干涉式時間分辨光發(fā)射電子顯微鏡技術(shù)直接成像其納米空間和飛秒時間尺度上的演化過程，揭示了非線性時空軌道角動量轉(zhuǎn)換規(guī)律。
 

　　時空光學(xué)渦旋是結(jié)構(gòu)光場研究中的重要前沿。與普通光學(xué)渦旋主要在橫向空間中圍繞相位奇點旋轉(zhuǎn)不同，時空光學(xué)渦旋將相位奇點嵌入空間—時間聯(lián)合維度，使光場的相位、能流和角動量在脈沖傳播過程中協(xié)同演化。然而，此類光場通常依賴自由空間光束或體介質(zhì)系統(tǒng)產(chǎn)生。如何將其推進(jìn)到具有強(qiáng)近場增強(qiáng)、深亞波長局域和界面?zhèn)鞑ヌ匦缘钠系入x激元體系，是時空結(jié)構(gòu)光場走向納米光子平臺的關(guān)鍵問題。
 

　　針對這一問題，研究團(tuán)隊將“時空渦旋”的產(chǎn)生轉(zhuǎn)化為可設(shè)計的片上干涉過程。通過螺旋等離激元耦合結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊在金屬表面激發(fā)出兩組具有不同軌道角動量和可控時間延遲的表面等離激元波包。兩組波包相干疊加，使空間—頻率域中的 π 相位線缺陷轉(zhuǎn)化為空間—時間域中的 2π 螺旋相位環(huán)流，從而形成時空等離激元渦旋。
 

　　利用干涉式時間分辨光發(fā)射電子顯微鏡技術(shù)，研究人員對片上傳播的時空等離激元渦旋進(jìn)行逐幀成像。實驗顯示，在渦旋到達(dá)焦點前，光電子顯微圖像中出現(xiàn)典型叉形時空干涉結(jié)構(gòu)，對應(yīng)攜帶整數(shù)拓?fù)浜傻穆菪辔黄纥c；在焦點處，渦旋連續(xù)演化為類似厄密—高斯模式的線缺陷；越過焦點后，叉形結(jié)構(gòu)反向出現(xiàn)，表明渦旋手性發(fā)生反轉(zhuǎn)。通過重構(gòu)空間—時間平面中的場分布，團(tuán)隊直接獲得了時空等離激元渦旋的螺旋相位結(jié)構(gòu)。
 

　　該研究工作還展示了時空等離激元渦旋的可編程調(diào)控能力。理論表明，渦旋的數(shù)量、方位和出現(xiàn)位置可由兩組等離激元波包之間的軌道角動量差和相對時間延遲共同決定。當(dāng)軌道角動量差為零時，體系形成傳統(tǒng)空間等離激元渦旋；當(dāng)軌道角動量差不為零時，相位缺陷會發(fā)生分裂，并映射為一個或多個時空渦旋。實驗則進(jìn)一步在完整螺旋耦合結(jié)構(gòu)中觀測到成對出現(xiàn)的時空等離激元渦旋，驗證了該方法對渦旋數(shù)目和空間分布的調(diào)控能力。
 

　　研究團(tuán)隊進(jìn)一步揭示了時空等離激元渦旋在非線性光電子發(fā)射過程中的角動量轉(zhuǎn)換規(guī)律。在相干雙光子光發(fā)射中，光子與等離激元可沿不同量子路徑共同激發(fā)電子發(fā)射。通過傅里葉和雙邊費曼圖分析，團(tuán)隊分別提取出基頻場 Ω1 分量和二階上轉(zhuǎn)換場 Ω2 分量，并觀察到二者分別呈現(xiàn)拓?fù)浜蔀?和2的叉形干涉結(jié)構(gòu)，表明時空軌道角動量可在非線性轉(zhuǎn)換過程中實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換并保持守恒。
 

　　該研究將時空光學(xué)渦旋從自由傳播光場推進(jìn)到片上界面束縛體系，建立了在低維納米光子平臺中合成、操控和探測時空拓?fù)涔鈭龅男路椒ǎ矠檠芯砍旆蔷€性光電子過程、量子路徑干涉和時空角動量守恒提供了新的實驗平臺。未來，該方法有望拓展到激子、聲子和極化激元等其他導(dǎo)波體系，并服務(wù)于片上超快信息處理、拓?fù)涔鈭鰝鞲泻徒缑媪孔幽M等方向。
 

　　南方科技大學(xué)物理系博士生陳倩、深圳大學(xué)微納光電子學(xué)研究院博士后張碩碩為論文共同第一作者，戴亞南、深圳大學(xué)微納光電子學(xué)研究院閔長俊教授為論文共同通訊作者。南方科技大學(xué)為論文第一單位。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項目、廣東省量子科學(xué)戰(zhàn)略專項、廣東省先進(jìn)熱電材料與器件物理重點實驗室及南方科技大學(xué)公共分析測試中心的支持。
 

　　引用：南科大戴亞南課題組實現(xiàn)片上時空等離激元渦旋的可控合成與超快成像 - 南方科技大學(xué)【引用時間：2026年7月2日】