「看見看不到的漩渦」 黃承彬教授與國際合作首見光學自漩準粒子 成果榮登《Nature》
【發布日期】: 2021-01-27
國立清華大學電機系暨光電所教授黃承彬與美國匹茲堡大學合作，證明具有掌性的奈米金屬結構，在線性偏振態光激發下會產生漩渦，打破過去學理上認為僅有聚焦現象而不會產生漩渦的文獻紀錄，為首次見證此現象的直接證明。此突破性研究成果於2020年12月登上國際頂尖期刊《Nature》，受全球注目。論文名稱: Plasmonic topological quasiparticle on the nanometre and femtosecond scales.
黃承彬教授團隊也發現，在產生電漿波漩渦的同時，金屬表面的各個空間位置亦穩定地產生相對應的自旋角動量，此自旋結構的空間分佈可類比於準粒子中較罕見的一種—meron，而這也是光學系統中自旋準粒子產生的首度驗證。光學準粒子未來的應用無限，也提供了學者更多的想像與發揮空間，例如光學儲存與資訊傳遞的全新機制。
「大家在生活中對漩渦一定不陌生，例如台灣常碰到的颱風、或沖馬桶時看到的水漩渦，它們是3維立體的漩渦。但在我們的研究中，產生的是純二維的近場光學漩渦：用一道雷射光激發一個在金屬薄膜上形成的結構，從而能夠看到這個漩渦在旋轉，本身就是一件很不得了的事。」談起研究機緣，專長為奈米光學的黃承彬說，過往的測量是看不到光漩渦在轉的，這是因為漩渦旋轉的速度快到一秒鐘可以轉10 14 ~10 15這麼多次，人眼若要能看到漩渦旋轉的動態，眼睛就必須像是比轉速還要快的攝影機，可惜這是不可能的。
在缺乏時間動態解析的能力之下，過往人們都認為掌性金屬元件在線性偏振態激發下，僅會產生電漿波的聚焦的現象，而不會產生漩渦。「但我不相信」，黃承彬很堅定的表示，「我認為還是會有漩渦的存在!」為了證明這個現象的存在，黃承彬2018年暑期遠赴美國匹茲堡大學，展開合作研究之旅。
在匹茲堡大學，團隊使用光激發電子顯微鏡(photoemission electron microscope)系統，用兩道具有時間差的飛秒雷射脈衝，進行激發－探測(pump-probe)。雷射短脈衝在掌性金屬元件中激發出表面電漿波，並提供金屬中電子脫離材料束縛的能量，在不同空間點上游離出來，從而被捕捉成像。光激發電子顯微鏡本身提供了非常好的空間解析度，而精確地調整兩道雷射脈衝之間的時間間距，則額外地提供團隊所需的時間解析度，從而允許黃教授拍出連續動作的畫面，看到漩渦真正旋轉的動態分辨解析。
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↑黃承彬教授團隊利用光激發電子顯微鏡，觀測到線性偏振態激發下，表面電漿波會產生漩渦，並且發現在金屬表面產生光學自漩準粒子，為此兩現象提供首度的佐證。
「一般人都說在線性偏振態激發下就是產生聚焦，但我個人的研究生涯中，其實都蠻喜歡挑戰過往的既定印象。」談起實驗的甘苦，黃承彬用暑期兩個月就完成了實驗，但真正的挑戰是數據的分析以及證明與光學準粒子產生之間的關聯。他與論文的第一作者戴亞南博士苦讀所有的文獻，進行公式推導，投稿也歷經20個月的多次審查與答辯，最後終獲《Nature》接受，「連Nature的副編輯都說，能接受一篇20個月的論文很令人興奮!」黃承彬笑說。
黃承彬教授勇於挑戰過往既定研究結論，開創出研究者的創新格局，更讓我們看到學者不畏艱辛，在不確定的孤獨中突破逆境的勇氣，將奈米光學領域帶領至新境界。黃承彬教授特別感謝合作的博士生的剛毅，與師母的付出陪伴，讓他能在異地無憂無慮地進行研究，激發出如此豐沛的研究能量與成果。
本論文發表於2020年12月24日的《Nature》期刊上，論文名稱:“Plasmonic topological quasiparticle on the nanometre and femtosecond scales”。
↑黃承彬教授勇於挑戰過往既定研究結論，開創出研究者的創新格局，更讓我們看到學者不畏艱辛，在不確定的孤獨中突破逆境的勇氣，將奈米光學領域帶領至新境界。
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