束缚在材料界面的光表面波具有二维传输的特性，与传统的自由空间传输、波导传输相比具有更高的集成度，逐渐成为亚波长光子学、新一代集成光路、片上光子器件等研究领域的关键技术。其中，Dyakonov表面波相较于常见的表面等离子体激元表面波具有更强的光束缚能力与调制能力而受到广泛关注。
近日，清华大学材料学院孙竞博副教授、周济院士研究团队通过设计双曲超材料孪晶实现了具有光子自旋相关的选择性耦合输入，传输与定向输出功能的新型二维光子器件。
研究人员通过模仿自然界中的孪晶材料，设计并构筑了具有对称强各向异性的超材料孪晶，其中包括两块光轴成镜面对称取向的双曲超材料薄膜，并与空气、玻璃基片组成了具有双重各向异性界面的系统。该系统呈现两重对称性，分别是关于材料类型的对称性：各向同性(空气)/各向异性（超材料孪晶）/各向同性（玻璃基片）与关于孪晶界的各向异性取向对称性，从而形成四种类型的界面。在器件设计中，这四种类型的界面可分别支持具有特定横向自旋属性的Dyakonov表面波，因此，可以作为四种信号通道；孪晶界作为一维缺陷，可用做耦合输入端口；同时，在孪晶的两端制备具有非偏振选择性的圆柱阵列结构作为输出端口。如图1所示，在器件工作过程中，孪晶界将自由空间中的圆偏振入射光依据其所具有的特定自旋态耦合成为表面波并进入特定的信道（即界面），在输出端依据信道内的表面波所具有的特定横向自旋态将其耦合输出至自由空间中，并恢复其所携带的原有的光子自旋态，最终实现了自旋相关的输入，二维传输与输出的功能。
图1 基于孪晶超材料的自旋光子器件
基于上述设计，研究者通过聚焦离子束在60 nm银膜表面进行刻蚀，制备对称取向的银条阵列，作为孪晶双曲超材料薄膜（图2）。测试过程中，808 nm线偏入射光所包含的左、右旋信号分别进入1、4 信道与2、3 信道，并在3、4号端口出射至自由空间中，并恢复其左、右旋偏振。
图2 孪晶超材料制备
图3 自旋相关的耦合输入与传输（左）及选择性输出（右）
清华大学材料学院博士生李妍、孙竞博副教授为论文的共同第一作者，清华大学材料学院孙竞博副教授、周济院士为论文的共同通讯作者。研究得到科技部“十四五”重点研发计划、自然基金重点项目资助。
论文信息：
Spin Photonics-Based on a Twinning Hyperbolic Metamaterial
Yan Li, Jingbo Sun*, Yongzheng Wen, Xiaoyu Xiong, Le Zhou, Ji Zhou*
Advanced Functional Materials
DOI: 10.1002/adfm.202413351
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Advanced
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Materials
期刊简介
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