南科大团队在时空结构光场和超快成像方面取得进展

近日，南方科技大学物理系、粤港澳大湾区量子科学中心、深圳先进光源研究院戴亚南副教授课题组与合作者在片上时空结构光场的可控产生与超快成像方面取得研究进展，相关研究成果以《Synthetic Spatiotemporal Plasmonic Vortices on Chip》为题目，发表在《Physical Review Letters》期刊上。

研究团队提出“时空工程”策略，在金属芯片表面合成出一类新型片上拓扑近场—时空等离激元涡旋（spatiotemporal plasmonic vortex, STPV），并利用干涉式时间分辨光发射电子显微镜技术直接成像其纳米空间和飞秒时间尺度上的演化过程，揭示了非线性时空轨道角动量转换规律。

时空光学涡旋是结构光场研究中的重要前沿。与普通光学涡旋主要在横向空间中围绕相位奇点旋转不同，时空光学涡旋将相位奇点嵌入空间—时间联合维度，使光场的相位、能流和角动量在脉冲传播过程中协同演化。然而，此类光场通常依赖自由空间光束或体介质系统产生。如何将其推进到具有强近场增强、深亚波长局域和界面传播特性的片上等离激元体系，是时空结构光场走向纳米光子平台的关键问题。

针对这一问题，研究团队将“时空涡旋”的产生转化为可设计的片上干涉过程。通过螺旋等离激元耦合结构，团队在金属表面激发出两组具有不同轨道角动量和可控时间延迟的表面等离激元波包。两组波包相干叠加，使空间—频率域中的 π 相位线缺陷转化为空间—时间域中的 2π 螺旋相位环流，从而形成时空等离激元涡旋。

利用干涉式时间分辨光发射电子显微镜技术，研究人员对片上传播的时空等离激元涡旋进行逐帧成像。实验显示，在涡旋到达焦点前，光电子显微图像中出现典型叉形时空干涉结构，对应携带整数拓扑荷的螺旋相位奇点；在焦点处，涡旋连续演化为类似厄密—高斯模式的线缺陷；越过焦点后，叉形结构反向出现，表明涡旋手性发生反转。通过重构空间—时间平面中的场分布，团队直接获得了时空等离激元涡旋的螺旋相位结构。

该研究工作还展示了时空等离激元涡旋的可编程调控能力。理论表明，涡旋的数量、方位和出现位置可由两组等离激元波包之间的轨道角动量差和相对时间延迟共同决定。当轨道角动量差为零时，体系形成传统空间等离激元涡旋；当轨道角动量差不为零时，相位缺陷会发生分裂，并映射为一个或多个时空涡旋。实验则进一步在完整螺旋耦合结构中观测到成对出现的时空等离激元涡旋，验证了该方法对涡旋数目和空间分布的调控能力。

研究团队进一步揭示了时空等离激元涡旋在非线性光电子发射过程中的角动量转换规律。在相干双光子光发射中，光子与等离激元可沿不同量子路径共同激发电子发射。通过傅里叶和双边费曼图分析，团队分别提取出基频场 Ω1 分量和二阶上转换场 Ω2 分量，并观察到二者分别呈现拓扑荷为1和2的叉形干涉结构，表明时空轨道角动量可在非线性转换过程中实现上转换并保持守恒。

该研究将时空光学涡旋从自由传播光场推进到片上界面束缚体系，建立了在低维纳米光子平台中合成、操控和探测时空拓扑光场的新方法，也为研究超快非线性光电子过程、量子路径干涉和时空角动量守恒提供了新的实验平台。未来，该方法有望拓展到激子、声子和极化激元等其他导波体系，并服务于片上超快信息处理、拓扑光场传感和界面量子模拟等方向。

论文链接：https://doi.org/10.1103/db9j-jc1k