近日，华北电力大学数理学院杨大杰、田永辉团队在Nature Communications发表题为“Plasmonic Vortex Cavities Toward the Ultra-Compact Limit”的研究论文，提出等离激元涡旋腔（PV cavity）新方案，实现等离激元涡旋的量子极限压缩与共振增强。该研究在数理学院田永辉教授指导下开展，华北电力大学作为论文的第一单位，杨大杰副教授为第一作者，学生王景怡为第二作者，田永辉教授与电子科技大学杨元杰教授为共同通讯作者。

在芯片上实现紧凑、高效的光场调控，是光子集成的重要基础。涡旋光具有螺旋形波前，能够携带轨道角动量（OAM），为光与物质相互作用和信息编码提供新的物理维度。表面等离激元则能够把光场约束在金属界面，将光场调控带入深亚波长尺度。近年来，等离激元涡旋镜（PV lens）已成为片上产生和操纵等离激元涡旋（PV）的重要方案，但仍受到表面波波长和传播损耗的制约，难以实现器件的小型化与光场的有效增强。

针对这一问题，研究团队提出由PV lens走向PV cavity的新思路，利用等离激元纳米腔中的gap plasmon，同时调控表面波的传播波长与腔内反射。团队建立了统一的物理框架，将涡旋尺寸、腔体共振以及拓扑荷选择联系起来，并通过全波电磁仿真验证了相关机制。

图1 等离激元涡旋腔结构及几何相位与动态相位对涡旋拓扑荷的调控

在尺寸压缩方面，纳米腔的间隙宽度能够显著改变gap-SPP色散关系，使表面等离激元波长随间隙减小而缩短，从而将涡旋约束在远小于自由空间波长的区域内。研究实现了小于波长十分之一的器件尺度，其中最内侧亮环的半径小于波长的六十分之一。以约800纳米的入射波长为例，最内侧亮环半径约为12.5纳米。结合非局域响应和量子隧穿分析，研究进一步揭示了持续压缩所面临的物理边界，将PV的尺度推向由量子效应限定的超紧凑极限。

图2 gap plasmon波长压缩及深亚波长纳米腔中的超紧凑等离激元涡旋

在光场增强方面，PV cavity的边界反射使表面波在腔内往返传播，形成类似法布里–珀罗腔的驻波共振。与单界面上以直接激发波叠加为主的PV相比，腔内相干叠加能够进一步增强光场，并形成离散的共振模式。波长压缩与共振增强共同作用，使PV在缩小尺寸的同时保持清晰的涡旋结构和显著的近场强度，为深亚波长尺度的光与物质相互作用提供了新的调控途径。

图3 腔边界反射形成表面等离激元驻波并实现共振增强

研究还表明，入射光的自旋与轨道角动量，以及螺旋腔体的几何结构，可通过几何相位和动态相位共同调节PV拓扑荷。这使PV cavity兼具超紧凑约束、共振增强和涡旋模式可调等特点，为片上OAM编码、纳米尺度光场操控及增强光与物质相互作用提供了理论依据和器件设计思路。

研究团队近年来围绕涡旋光与表面等离激元相互作用开展了持续研究，相关成果发表于PRL、Nano Letters、ACS Nano、Laser & Photonics Reviews、Photonics Research、 Nanoscale等期刊，涉及等离激元量子效应、相控阵纳米天线、高阶模式选择、异常模式耦合、涡环能流和手性光谱等方向。此次研究进一步由局域型等离激元拓展至传播型PV，通过腔体结构实现尺寸压缩与共振增强，延续了团队在结构光与微纳光学方向的研究积累。

这一成果的取得，是华北电力大学近年深耕基础学科建设、引领物理学科内涵式发展的生动写照。学校始终把基础学科作为事业发展的重要战略支撑，不断加大资源投入，持续完善学科布局与科研环境，依托学科交叉融合推动前沿突破，物理学科整体实力与国际学术影响力由此实现显著跃升。

初审：杨大杰

复审：刘纪彩

审核：田永辉

责任编辑：陈昀睿