TiO₂超表面的高效宽带可见光自旋霍尔效应

光自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）的相互作用能够实现聚焦光束的自旋轨道耦合、倏逝波或者人工光子晶体等光学特性，也由于其在光子器件、量子系统等中的重要应用价值而受到了广泛的研究。虽然自旋-轨道耦合在相关领域中具有重要的应用价值，但是宽带且高效的自旋-霍尔效应的获得却仍具有较大的挑战。基于此，中国科学院物理研究所的博士研究生朱维在李俊杰研究员和顾长志研究员的指导下提出了一种基于TiO₂纳米柱的超表面，该超表面可以在可见光波段，将SAM为1与-1的光分量分别异常折射到超表面的两侧。超表面的自旋霍尔效应来自于几何空间中两套反向排布的PB相。相比于具有1：3宽深比的Si纳米柱超表面，该结构结合EBL和ALD制备，具有1：7.5的高宽深比。由于较强的自旋-轨道相互作用，该超表面的在514 nm处的左旋及右旋透过率达到了97.6(模拟)/86%(实验)。此外，实验中也观察到了在整个可见光波段的高效自旋霍尔效应。该超表面具有亚波长的尺寸，并增加了内在的调控自由度，有助于在多通道信息处理集成片上器件的设计及应用中具有重要的价值。相关内容发表在Nanophotonics (2020), 9, 4327-4335上。

图：全介质TiO₂超表面的设计、制备及其高效率自旋-霍尔效应

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