【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】 近日，南方科技大學(xué)物理系、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心、深圳先進(jìn)光源研究院戴亞南副教授課題組與合作者在片上時(shí)空結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的可控產(chǎn)生與超快成像方面取得研究進(jìn)展，相關(guān)成果以 “Synthetic Spatiotemporal Plasmonic Vortices on Chip”為題發(fā)表在國際物理學(xué)期刊 Physical Review Letters。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)提出“時(shí)空工程”策略，在金屬芯片表面合成出一類新型片上拓?fù)浣鼒?chǎng)—時(shí)空等離激元渦旋(spatiotemporal plasmonic vortex, STPV)，并利用干涉式時(shí)間分辨光發(fā)射電子顯微鏡技術(shù)直接成像其納米空間和飛秒時(shí)間尺度上的演化過程，揭示了非線性時(shí)空軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)換規(guī)律。
 

　　時(shí)空光學(xué)渦旋是結(jié)構(gòu)光場(chǎng)研究中的重要前沿。與普通光學(xué)渦旋主要在橫向空間中圍繞相位奇點(diǎn)旋轉(zhuǎn)不同，時(shí)空光學(xué)渦旋將相位奇點(diǎn)嵌入空間—時(shí)間聯(lián)合維度，使光場(chǎng)的相位、能流和角動(dòng)量在脈沖傳播過程中協(xié)同演化。然而，此類光場(chǎng)通常依賴自由空間光束或體介質(zhì)系統(tǒng)產(chǎn)生。如何將其推進(jìn)到具有強(qiáng)近場(chǎng)增強(qiáng)、深亞波長(zhǎng)局域和界面?zhèn)鞑ヌ匦缘钠系入x激元體系，是時(shí)空結(jié)構(gòu)光場(chǎng)走向納米光子平臺(tái)的關(guān)鍵問題。
 

　　針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)將“時(shí)空渦旋”的產(chǎn)生轉(zhuǎn)化為可設(shè)計(jì)的片上干涉過程。通過螺旋等離激元耦合結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)在金屬表面激發(fā)出兩組具有不同軌道角動(dòng)量和可控時(shí)間延遲的表面等離激元波包。兩組波包相干疊加，使空間—頻率域中的 π 相位線缺陷轉(zhuǎn)化為空間—時(shí)間域中的 2π 螺旋相位環(huán)流，從而形成時(shí)空等離激元渦旋。
 

　　利用干涉式時(shí)間分辨光發(fā)射電子顯微鏡技術(shù)，研究人員對(duì)片上傳播的時(shí)空等離激元渦旋進(jìn)行逐幀成像。實(shí)驗(yàn)顯示，在渦旋到達(dá)焦點(diǎn)前，光電子顯微圖像中出現(xiàn)典型叉形時(shí)空干涉結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)攜帶整數(shù)拓?fù)浜傻穆菪辔黄纥c(diǎn)；在焦點(diǎn)處，渦旋連續(xù)演化為類似厄密—高斯模式的線缺陷；越過焦點(diǎn)后，叉形結(jié)構(gòu)反向出現(xiàn)，表明渦旋手性發(fā)生反轉(zhuǎn)。通過重構(gòu)空間—時(shí)間平面中的場(chǎng)分布，團(tuán)隊(duì)直接獲得了時(shí)空等離激元渦旋的螺旋相位結(jié)構(gòu)。
 

　　該研究工作還展示了時(shí)空等離激元渦旋的可編程調(diào)控能力。理論表明，渦旋的數(shù)量、方位和出現(xiàn)位置可由兩組等離激元波包之間的軌道角動(dòng)量差和相對(duì)時(shí)間延遲共同決定。當(dāng)軌道角動(dòng)量差為零時(shí)，體系形成傳統(tǒng)空間等離激元渦旋；當(dāng)軌道角動(dòng)量差不為零時(shí)，相位缺陷會(huì)發(fā)生分裂，并映射為一個(gè)或多個(gè)時(shí)空渦旋。實(shí)驗(yàn)則進(jìn)一步在完整螺旋耦合結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到成對(duì)出現(xiàn)的時(shí)空等離激元渦旋，驗(yàn)證了該方法對(duì)渦旋數(shù)目和空間分布的調(diào)控能力。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了時(shí)空等離激元渦旋在非線性光電子發(fā)射過程中的角動(dòng)量轉(zhuǎn)換規(guī)律。在相干雙光子光發(fā)射中，光子與等離激元可沿不同量子路徑共同激發(fā)電子發(fā)射。通過傅里葉和雙邊費(fèi)曼圖分析，團(tuán)隊(duì)分別提取出基頻場(chǎng) Ω1 分量和二階上轉(zhuǎn)換場(chǎng) Ω2 分量，并觀察到二者分別呈現(xiàn)拓?fù)浜蔀?和2的叉形干涉結(jié)構(gòu)，表明時(shí)空軌道角動(dòng)量可在非線性轉(zhuǎn)換過程中實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換并保持守恒。
 

　　該研究將時(shí)空光學(xué)渦旋從自由傳播光場(chǎng)推進(jìn)到片上界面束縛體系，建立了在低維納米光子平臺(tái)中合成、操控和探測(cè)時(shí)空拓?fù)涔鈭?chǎng)的新方法，也為研究超快非線性光電子過程、量子路徑干涉和時(shí)空角動(dòng)量守恒提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。未來，該方法有望拓展到激子、聲子和極化激元等其他導(dǎo)波體系，并服務(wù)于片上超快信息處理、拓?fù)涔鈭?chǎng)傳感和界面量子模擬等方向。
 

　　南方科技大學(xué)物理系博士生陳倩、深圳大學(xué)微納光電子學(xué)研究院博士后張碩碩為論文共同第一作者，戴亞南、深圳大學(xué)微納光電子學(xué)研究院閔長(zhǎng)俊教授為論文共同通訊作者。南方科技大學(xué)為論文第一單位。本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目、廣東省量子科學(xué)戰(zhàn)略專項(xiàng)、廣東省先進(jìn)熱電材料與器件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及南方科技大學(xué)公共分析測(cè)試中心的支持。
 

　　引用：南科大戴亞南課題組實(shí)現(xiàn)片上時(shí)空等離激元渦旋的可控合成與超快成像 - 南方科技大學(xué)【引用時(shí)間：2026年7月2日】