Magnet-free reconfigurable alterspin photonics at optical frequencies
本文通过利用具有液滴的全介质光子晶体，在无需磁偏置的情况下动态控制交替自旋（alterspin）纹理，展示了首个在可见光至近红外波段的可重构、无磁性交替自旋光子系统。
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光不仅承载着亮度，还承载着一种被称为“自旋”的隐藏特性。正如旋转的陀螺可以顺时针或逆时针旋转一样，光波也可以向两个相反的方向扭转，从而产生科学家所说的右旋或左旋圆偏振。几十年来，研究人员一直在寻找控制这种扭转的方法，特别是为了创造出一种自旋方向以规则、交替序列不断翻转的模式。这种特定的排列被称为“交替自旋纹理”（alterspin texture），是一个借鉴自磁学世界的现象，在磁学世界中，磁自旋会以交替模式排列。在磁学世界里，创造此类模式通常需要强磁铁或磁场。然而，当科学家试图将这一概念转移到频率极高的光速领域时，常规的磁性工具便不再奏效了。那些对这些磁场产生响应的磁性材料变得无效，而要在光波尺度上实现所需的偏置微型磁体也根本不存在。这导致我们在利用光来创造这些交替自旋模式方面存在能力上的空白，尤其是在我们观察周围世界的可见光谱范围内。
新加坡国立大学的一个研究团队现在填补了这一空白，他们创造了一个无需使用任何磁铁即可生成这些交替自旋模式的系统。研究人员没有依赖磁力，而是构建了一个悬浮的氮化硅薄片——这是一种常用于电子设备的透明材料——并在其上蚀刻出了精确的正方形孔洞网格。该网格充当了光子晶体，即一种能够引导光以特定方式传播的结构。他们发现的关键在于如何处理该薄片的两个侧面。通过在该薄片的一侧放置一滴水，而让另一侧暴露在空气中，他们制造了一种不平衡。这种薄片上下两侧环境的简单差异，打破了一种通常使光的自旋保持中性的特定对称性。结果，穿过网格的光自行组织成一种独特的模式：当你绕圈移动时，自旋方向会发生四次翻转，从而创造出所需的交替纹理。
研究人员证明，这种模式不仅仅是材料的一个静态特征，而且是他们可以主动控制和重写的。通过将水滴从薄片的一侧移动到另一侧，他们可以瞬间反转自旋模式的方向。如果水在上方，光就会以一种序列扭转；当水滴移动到底部时，整个模式就会翻转到相反的序列。他们还可以通过移除水来完全抹除该模式，使系统回到没有任何交替自旋的状态。这种程度的控制力具有重要意义，因为以往尝试创造类似效应的方法依赖于一旦建成就无法改变的固定材料或结构。在这一新系统中，模式是由环境决定的，这使得通过操纵液滴即可实现对模式的写入、擦除和反转。
为了确保他们观察到的是真正的现象而非实验装置产生的伪影，团队测量了从 740 到 800 纳米范围内的不同波长下的光，这涵盖了可见光谱中的深红光和近红外光部分。他们发现，这种四周期交替模式在整个范围内保持一致。他们还开发了一种量化该模式强度的方法，证实了该效应是稳健且可重复的。研究明确排除了该模式是由孔洞的物理形状或制造过程中的偶然缺陷引起的可能性，表明该效应完全是由薄片两侧材料的差异驱动的。通过证明全电介质、无磁系统可以生成并控制这些复杂的自旋纹理，研究人员为开发能够以以往认为需要磁场才能实现的手段来操纵光的光学器件开辟了新途径。这项工作表明，未来用于处理光信息的技术可以基于简单的、可重构的结构，而不是复杂的、固定的磁性组件。
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