beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室方哲宇研究員團隊提出了一種利用超高分辨電子束操控金屬等離激元調控光自旋角動量的新方法，首次在單個金屬納米結構内實現光自旋霍爾效應的觀測與操縱。研究人員設計了結構對稱的金屬納米天線，利用入射電子束超高分辨的特點，精準激發了金屬等離激元圓偏振偶極和四極混合電磁模式，在自主研發搭建的角分辨陰極熒光納米顯微系統上，實現了光自旋霍爾效應在亞納米尺度上的選擇和操控。相關工作以“自由電子束選擇激發金屬納米天線光自旋霍爾效應”（Selectively Steering Photon Spin Angular Momentum via Electron Induced Optical Spin Hall Effect）為題發表于《科學進展》（Science Advances 2021, 7: eabf8011）。

光子自旋角動量是光子的一種内禀特性，為調控光子行為提供了額外的自由度，有望成為新一代量子信息的載體。光自旋霍爾效應（optical spin Hall effect, OSHE）則提供了一種操控光子自旋角動量的途徑，有望在未來量子信息中應用。早期相關的自旋軌道耦合物理機制已有初步的探究，并在超構材料，平面微腔，精密測量等科研領域有重要的應用。

對于光自旋霍爾效應有效激發與調控，進而實現對光子自旋角動量的操控是上述實際應用的最基本要求，目前已報道可通過手性超構表面的設計實現對光自旋霍爾效應的有效激發，但由于光學衍射極限的存在，限制了其在納米尺度的操控，阻礙了光子自旋角動量在介觀尺度甚至量子領域的應用。

陰極熒光納米顯微技術（Cathodoluminescence Microscopy, CL）作為一種非侵入性的表征方法，具有亞納米尺度超高空間分辨率和精準的電子束激發能力，已被逐漸應用于金屬結構光子局域态密度表征以及輻射光場特性等方面的研究。利用角分辨陰極熒光技術（Angle-resolved CL polarimetry）可進一步在動量空間實現對輻射方向的直接測量。此外，雖然通過超構表面設計可以實現輻射信号不同偏振分量在輻射方向和輻射空間上的分離，但針對未來器件小型化的趨勢，單個金屬納米結構中的發光信号操控還未實現，如何在亞納米尺度精準表征與操控單個金屬結構實現其光自旋霍爾效應是目前研究的難點與挑戰。

鑒于此，方哲宇課題組提出一種基于金屬納米天線的電子束操控方法（圖1A）。通過設計對稱性長方體納米天線，利用電子束局域精準激發獲得等離激元圓偏振偶極與四極混合電磁模式。移動電子束激發位置可實現偶極與四極模式的相位移動，進一步操控納米結構的電磁場模式共振。通過極化角分辨陰極熒光收集光路（圖1B）可以對納米結構不同偏振态的遠場輻射角分辨模式進行直接表征。

圖1（A）樣品結構示意圖；（B）角分辨陰極熒光納米顯微系統示意圖

最引人注目的是這種表征手段可以在單個金屬納米結構中實現對光自旋霍爾效應的近場選擇性激發，這種激發方式能夠克服傳統的光學激發衍射極限。電子束激發位置的移動帶來對應的偏振輻射模式動态操控（圖2），在40納米左右的調控步長即可實現光自旋霍爾效應的“開”和“關”，以及在80納米内實現光自旋霍爾效應偏振模式輻射方向反轉。這種深亞波長尺度的光子自旋角動量操控，可應用于手性納米光學與自由電子量子光學研究中。

圖2 （A）左右旋偏振信号遠場角分辨模式随電子束激發位置移動變化；（B）散射強度與波長關系

進一步，研究者從原理上對近場光自旋霍爾效應的操控進行了分析。從電磁場模拟的金屬納米天線的多模偶極分布可以看出，激發納米結構上邊緣中間位置時，電偶極模式與四極模式的相互作用造成了輻射信号左右旋分量的輻射方向分離，産生光自旋霍爾效應。激發不同位置導緻電四極和電偶極模式的相位變化，從而影響遠場角分辨輻射模式。

該工作提出的新型光自旋霍爾效應電子束操控方案，為手性納米光學與自由電子量子光學的研究提供了新的研究方法。同時，該工作可指導未來量子信息器件納米尺度集成，在邏輯運算、光電存儲及未來量子信息研究中有着重要意義，在未來納米量子器件上具有巨大的應用潛力。

北大beat3652016級博士研究生池騁和2015級博士畢業生蔣瞧為文章的共同第一作者，方哲宇研究員為通訊作者。該工作得到了科學技術部國家重點研發計劃納米科技重點專項、國家自然科學基金國家重大科研儀器研制項目等支持。

全文鍊接：https://advances.sciencemag.org/content/7/18/eabf8011