近日，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室潘登研究员和徐红星院士合作，在光学热近场的新特性方面取得重要进展。他们建立了描述平衡态下光学热近场拓扑环流的一般性理论，并提出了采用电子束来探测和重构热近场光谱的新颖方案。相关成果以“”为题发表于physical review letters. 133, 113805 (2024)。博士研究生马杰为论文第一作者。
电磁波在介质中的传播通常具有互易性，但在磁光材料中，当施加外加磁场时，电磁波的时间反演对称性被打破。这种非互易性在材料边界上展现出更多丰富的物理现象。例如，在磁场作用下，表面等离激元可以实现单向传播，光子晶体在磁场中也能形成具有拓扑特性的单向边界态。
作为玻色子的光子遵循玻色-爱因斯坦分布。在热平衡态下，互易系统中的热光子在时间平均下并不产生能流，因为相反方向传输的光子数相等，彼此抵消。然而，在磁场作用下，光学近场的非互易行为导致两个传输方向上具有不同的光学态密度。对于无限大或材料内部的自由光子，尽管在每个传输方向上都有较高的自由度，最终总能流依然为零。但在光学近场中，相反方向传输的热平衡光子能流不再相互抵消，从而形成了一种环绕材料边界的拓扑性环流。
电子束探测平衡态拓扑热环流示意图
针对这一现象，潘登研究员与徐红星院士提出了适用于任意结构的拓扑环流能谱计算的一般理论框架。在此基础上，他们进一步提出了利用电子束探测并重构这种环流能谱的创新方案。直观上，当电子束与平衡态热环流相互作用时，电子束会发生定向散射，散射的电子能量和角度信息可以通过角分辨电子显微镜进行探测。这些信息能够用来重构光学近场中的拓扑热流能谱。此外，研究还提出可以通过局域结构中热环流与电子束的相互作用，产生具有轨道角动量的涡旋电子束。
这一研究揭示了微纳光学热近场的新特性，建立了自由电子与光学热近场基本相互作用的理论基础，为电子束的操控及其应用开辟了新的方向。
附：论文链接：
来源｜精密光谱科学与技术国家重点实验室、科技处 编辑｜史佳妮 编审｜郭文君
