光自旋-轨道相互作用调控手性偶极子耦合的理论研究

The couplings of dipoles have broad applications in nanophotonics and quantum optics where many structural units can be approximated as dipoles. Although the couplings of conventional electric/magnetic dipoles have been well understood, the physics associated with the couplings of chiral dipoles remains unclear. One of the key questions is how to efficiently manipulate the couplings of chiral dipoles. Based on the principle investigator’s experience in this field, this project will focus on the coupling of chiral dipoles mediated by photonic spin-orbit interaction. We will use numerical simulations and analytical models to study a system consisting of metallic nano helices (i.e. chiral dipoles) and a dielectric waveguide. We will uncover the effect of photonic spin-orbit interaction on the coupling of chiral dipoles, understand the related scattering properties of light, and elucidate its dependence on various system parameters. The results of this project could be applied to manipulate the coupling of chiral dipoles. It could also help us to understand the effect of chirality on light-matter interactions and generate new mechanisms to control the transport of light’s spin, and therefore assist in the development of novel spin-photonic devices.

偶极子的耦合在纳米光学和量子光学领域有着广泛的应用，亚波长下诸多结构单元都可以近似为偶极子。尽管传统电/磁偶极子的耦合已得到比较深入的理解，但是手性偶极子的耦合物理尚不清楚，其中一个关键问题就是如何高效地调控手性偶极子的耦合。本项目将利用光自旋-轨道相互作用实现对手性偶极子耦合的高效调控。申请人针对偶极子的耦合开展过相关研究，积累了丰富的经验。基于已有的成果，本项目将利用数值仿真和解析模型对金属纳米螺旋粒子（即手性偶极子）-电介质波导系统开展研究，揭示光自旋-轨道相互作用调控手性偶极子耦合的物理机制，理解这种调控导致的光散射特性，并阐明其对各种系统参数的依赖性。本项目成果不但可以应用于调控手性偶极子的耦合，而且有助于我们理解手性对光与物质相互作用的影响，揭示新的物理机制用于控制光的自旋传输，从而促进开发新型的自旋光子器件。

偶极子的耦合在纳米光学和量子光学领域有着广泛的应用，亚波长下诸多结构单元都可以近似为偶极子。尽管传统电/磁偶极子的耦合已得到比较深入的理解，但是手性偶极子的耦合物理尚不清楚，其中一个关键问题就是如何高效地调控手性偶极子的耦合。本项目利用数值仿真和解析方法理论研究了光自旋-轨道相互作用对手性偶极子耦合的高效调控的物理机制，探索了调控导致的光散射特性和对各种系统参数的依赖性，取得了以下几项主要成果：1. 揭示了手性螺旋粒子近场耦合的物理机制以及其导致的光力现象；2. 揭示了手性螺旋粒子与波导之间单向耦合的物理机制，利用光自旋-轨道相互作用调控多个手性螺旋粒子之间的耦合，实现了片上光场能量单向增强和收集的“光漏斗”功能；3. 利用手性旋转粒子实现对波导光场的非互易调制和光隔离现象，并利用光自旋-轨道相互作用调控多个手性旋转粒子的耦合，实现具鲁棒性的任意阶非厄米奇异点和增强的光隔离功能。此项目的成果具有多方面的重要科学意义和应用。其中，手性粒子对波导模式的单向激发可用于指向性片上量子光源的开发，多个手性粒子通过光自旋-轨道相互作用产生单向耦合的物理机制可应用于片上光能量的收集和转化；手性粒子近场耦合导致的光力现象对于光操控微粒具有重要的启发，尤其是在光力筛选手性粒子的应用方面具有指导意义；手性旋转粒子的相关研究成果加深了我们对非惯性系统相对论电动力学性质的理解，拓展了其在非互易光学和非厄米光学方面的应用，可广泛应用于开发片上微型光隔离器、时空调制超材料和超表面等。总体而言，本项目的成果有助于我们理解手性对光与物质相互作用的影响，揭示了多个新物理机制和现象用于调控光的传输和散射，对于开发新型片上自旋光子器件和量子光学器件具有重要的指导作用。