近日，華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室潘登研究員和徐紅星院士合作，在光學熱近場的新特性方面取得重要進展。他們建立了描述平衡態下光學熱近場拓撲環流的一般性理論，并提出了采用電子束來探測和重構熱近場光譜的新穎方案。相關成果以“Probing topological thermal flux in equilibrium using electron beams”為題發表于Physical Review Letters. 133, 113805 (2024)。博士研究生馬杰為論文第一作者。
Physical Review Letters刊登潘登研究員團隊的科研成果
電磁波在介質中的傳播通常具有互易性，但在磁光材料中，當施加外加磁場時，電磁波的時間反演對稱性被打破。這種非互易性在材料邊界上展現出更多豐富的物理現象。例如，在磁場作用下，表面等離激元可以實現單向傳播，光子晶體在磁場中也能形成具有拓撲特性的單向邊界態。
作為玻色子的光子遵循玻色-愛因斯坦分布。在熱平衡態下，互易系統中的熱光子在時間平均下并不產生能流，因為相反方向傳輸的光子數相等，彼此抵消。然而，在磁場作用下，光學近場的非互易行為導致兩個傳輸方向上具有不同的光學態密度。對于無限大或材料內部的自由光子，盡管在每個傳輸方向上都有較高的自由度，最終總能流依然為零。但在光學近場中，相反方向傳輸的熱平衡光子能流不再相互抵消，從而形成了一種環繞材料邊界的拓撲性環流。
電子束探測平衡態拓撲熱環流示意圖
針對這一現象，潘登研究員與徐紅星院士提出了適用于任意結構的拓撲環流能譜計算的一般理論框架。在此基礎上，他們進一步提出了利用電子束探測并重構這種環流能譜的創新方案。直觀上，當電子束與平衡態熱環流相互作用時，電子束會發生定向散射，散射的電子能量和角度信息可以通過角分辨電子顯微鏡進行探測。這些信息能夠用來重構光學近場中的拓撲熱流能譜。此外，研究還提出可以通過局域結構中熱環流與電子束的相互作用，產生具有軌道角動量的渦旋電子束。
這一研究揭示了微納光學熱近場的新特性，建立了自由電子與光學熱近場基本相互作用的理論基礎，為電子束的操控及其應用開辟了新的方向。
附：論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.113805
來源｜精密光譜科學與技術國家重點實驗室、科技處 編輯｜史佳妮 編審｜郭文君
