新技術在聚合物變換光學波導中實現了光子黑洞、愛因斯坦環等器件。
信息技術的進步對人們生活產生深刻的影響，信息的載體主要是電子和光子。電子集成芯片已經取得了巨大的成功，相比之下，光子集成技術卻要落後很多。由於光子波長比電子大很多，光子集成面臨很多基礎物理問題和技術挑戰。近些年來，為了實現光子集成芯片，人們提出了各種新型人工微結構材料，包括：光學超晶格，光子晶體，表面等離激元，光學超構材料等。
另一方面，愛因斯坦的廣義相對論成功描述了彎曲時空中物質的運動。根據廣義相對論的基本原理，光子態在彎曲時空中的演化可以呈現出許多新奇的特性。近些年，理論物理學家提出變換光學方法，利用超構材料模擬彎曲時空中光子態的演化行為，可以實現光子態的操控和新型集成光子芯片。變換光學在理論上有很多新奇設計，但在實驗技術方面卻面臨很大挑戰，許多理論設計很難在實驗中真正實現。近幾年來，南京大學物理學院介電體超晶格實驗室祝世寧、劉輝課題組，在變換光學實驗技術方面取得突破，利用液體表面張力自組織加工技術，在聚合物變換光學波導中成功實現了光子黑洞、愛因斯坦環、共形自聚焦透鏡等器件。
圖一 (a) 自旋光子激發等離激元波場; (b) 光自旋的幾何位相; (c) 超構材料模擬彎曲時空中粒子的加速運動和韌致輻射; 兩個滿足廣義協變變換關係的等價超構材料之間的理論與實驗比較：(d)和(g)實驗樣品照片; (e)和(h)理論模擬的等離激元波束; (f)和(i)實驗測量的等離激元波束。
根據量子力學理論，光子是自旋為1的玻色子。通過引入自旋自由度，人們可以利用光自旋霍爾效應更加靈活地在芯片上調控光子傳播。最近，劉輝課題組與香港科技大學Jensen Li課題組合作，將光自旋引入變換光學芯片，通過同時改變超構材料整體的彎曲形狀和結構單元局域的旋轉角度(圖一(a))，調控時空中自旋光子態的幾何位相(圖一(b))，模擬彎曲時空中粒子的加速運動和韌致輻射(圖一(c))。課題組博士生仲帆在實驗中採用聚焦離子束技術，製備了"超表面/介質/金屬板"的變換光學結構(圖二(b-c))，超表面是由金屬納米孔作為結構單元(圖二(a))，納米孔與金屬板之間的耦合可以產生強的局域磁共振，以便增強等離激元的激發效率。實驗中，課題組在一塊具體樣品中設計和構造了廣義相對論中的倫德勒時空，模擬了黑洞周圍加速粒子的韌致輻射(圖一(c))，實現了自由空間自旋光子激發光子芯片上等離激元倫德勒波束的過程(圖一(d-i))。
圖二 (a) 超構材料結構單元; (b) 納米孔實驗照片; (c) 實驗樣品結構; (d) 紅外等離激元激發與近場測量裝置。
更進一步，課題組利用不同彎曲時空度規之間廣義協變變換，在理論上找到了一系列滿足等價關係的彎曲超構材料，實驗中在這些不同變換光學結構中可以產生相同的表面等離激元波場(圖一(d-i))，結果表明廣義協變變換為變換光學芯片的設計提供了更加廣泛靈活的理論方法。相比傳統的通過調控介電常數和磁導率設計變換光學的方法，通過調控光自旋子幾何位相的方法具有更大的自由度，而且更容易通過實驗實現。
該工作近期發表在“Controlling Surface Plasmons Through Covariant Transformation of the Spin-Dependent Geometric Phase Between Curved Metamaterials”Phys. Rev. Lett.120,243901 (2018), 博士生仲帆是第一作者, 南京大學是第一單位，祝世寧院士參與了討論和文章的修改。
該工作得到固體微結構物理國家重點實驗室和人工微結構科學與技術協同創新中心的支持，國家自然科學基金重大項目“光子態的時空演化與應用”(No.11690033)和科技部量子調控項目"人工微結構中新奇量子、類量子效應研究" (No. 2017YFA0303702)的資助，在此表示感謝。
點擊https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.243901
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