角动量激发：锁定电磁超材料界面的能流方向

在波导中实现能量的定向传输对电路与系统具有重要意义.在量子自旋霍尔系统中,电子的自旋方向与电流方向相对应,除非电子自旋反转,否则反向传输会被抑制.作为类比,电磁波的角动量与传输方向之间也存在相对应的关系,相关实验器件的研制与应用正在快速发展中.

近年来,自旋角动量和轨道角动量的激发可以控制波导中能量流动的方向,已在许多光学波段的均匀媒质波导中得到验证,而形式丰富的超材料界面波导更是受到研究人员的广泛关注.一般来说,界面波导通常由不同的人工结构拼接,传输模式与界面两侧媒质固有属性参数的符号翻转有关.几种热门的超材料界面波导包括类表面等离极化激元、线波和光子拓扑绝缘体.利用角动量源与人工微结构的相互作用可在这些界面波导中实现能流的定向传输,对于在微波频段构建角动量激发的实验体系具有重要意义,同时能够扩展传输系统的自由度,为未来新型电磁系统的研制提供新思路.

图1 角动量激发的界面单向传输：(a)角动量源,(b)类表面等离极化激元（等效介电常数的符号翻转）,(c)线波（等效表面阻抗的符号翻转）,(d)谷拓扑绝缘体（贝里相位的符号翻转）

近日,东南大学崔铁军院士团队联合大连海事大学和加州大学圣地亚哥分校的研究小组,比较了三种不同超材料界面波导,并在微波段设计了角动量激发实验平台,对多种热门的界面态的定向传输进行了测试并对该领域的发展作出了展望.相关工作以"Near-field chiral excitation of universal spin-momentum locking transport of edge waves in microwave metamaterials"为题发表在Advanced Photonics 2022年第4期,第一作者为徐之遐博士以及硕士生常杰,通信作者为Daniel F. Sievenpiper教授以及崔铁军院士.

研究人员利用宽带角动量源实现了类表面等离极化激元、线波和谷拓扑绝缘体的能量定向传输（图1）,在实验过程中对三种不同的界面波导的特色与潜在应用进行了分析.首先,工作带宽具有明显区别：类表面等离极化激元和线波工作在宽频带,可应用于宽带通信系统；而光子拓扑绝缘体存在于窄带隙内,在高品质因数的腔体设计中具有显著优势.其次,波速具有区别：类表面等离极化激元和线波都是慢波；而光子拓扑绝缘体波导可同时支持慢波和快波,在行波天线设计中具有显著优势.最后,结构的柔性与鲁棒性也具有区别：类表面等离极化激元和线波可以利用柔性基板引导,从而沿任意曲面高效传输,对可穿戴设备的研制具有重要意义；而光子拓扑绝缘体通常存在于实心孔板或阵列柱结构中,因此不具备柔性,但是传输过程受拓扑保护,反而对结构缺陷具有独特的免疫力.

图2 基于数字编码超材料的界面波导

可调控器件和新颖结构的结合应用是电磁超材料界面波导的研究方向之一.最近,大量数字编码超表面的研制体现了大规模有源加载的制造和数字控制技术已经成熟,未来将结合可控的角动量馈电网络,同时调控界面属性和角动量源（图2）,实现界面传输路径和两侧电磁超材料性能的数字化实时调控,并在此基础上研制多路复用器和天线阵列,有望在无线通信与雷达系统中发挥独特作用.