Photonic spin Hall effect (PSHE) can be achieved by using the patterned structures or metal/dielectric multilayers in the nanophotonic systems; however, the complicated structures of these devices hinder their further applications. Herein, we demonstrate that highly directional PSHE can be realized through the excitation of hyperbolic phonon polaritons (HPPs) in a comparably simple architecture based on an anisotropic α-MoO3 thin film. It is shown that the propagation of the HPP modes of α-MoO3 in the reststrahlen (RS) bands exhibits topological transitions between open hyperbola and closed ellipse in both real space and momentum space (k-space) due to the extreme in-plane anisotropy. Specifically, larger dispersion angle possesses larger figure of merit (FoM), and high k mode of HPPs exhibits robust propagation properties at the maximum dispersion angle. Spin-selected propagation with asymmetric ratio of intensity equal to ±0.94 can be realized by changing the handedness of the dipole emitters. By changing the incident wavelengths of the RS bands, the propagation angle of the HPP modes can be dynamically tuned in wide angular and wavelength ranges.

1.
J.
Ren
,
Y.
Li
,
Y.
Lin
,
Y.
Qin
,
R.
Wu
,
J.
Yang
,
Y.-F.
Xiao
,
H.
Yang
, and
Q.
Gong
,
Appl. Phys. Lett.
101
(
17
),
171103
(
2012
).
2.
K. Y.
Bliokh
and
Y. P.
Bliokh
,
Phys. Rev. Lett.
96
(
7
),
073903
(
2006
).
3.
Y.
Ke
,
Y.
Bian
,
Q.
Tang
,
J.
Tian
,
L.
Zeng
,
Y.
Chen
, and
X.
Zhou
,
Nanophotonics
12
(
23
),
4361
4373
(
2023
).
4.
F.
Cardano
and
L.
Marrucci
,
Nat. Photonics
9
(
12
),
776
778
(
2015
).
5.
K. Y.
Bliokh
,
F. J.
Rodríguez-Fortuño
,
F.
Nori
, and
A. V.
Zayats
,
Nat. Photonics
9
(
12
),
796
808
(
2015
).
6.
Y.
Liu
,
Y.
Ke
,
H.
Luo
, and
S.
Wen
,
Nanophotonics
6
(
1
),
51
70
(
2017
).
7.
T.
Lei
,
C.
Zhou
,
D.
Wang
,
Z.
Xie
,
B.
Cai
,
S.
Gao
,
Y.
Xie
,
L.
Du
,
Z.
Li
,
A. V.
Zayats
, and
X.
Yuan
,
Laser & Photonics Rev.
16
(
9
),
2100669
(
2022
).
8.
R.
Jin
,
L.
Deng
,
L.
Tang
,
Y.
Cao
,
Y.
Liu
, and
Z.-G.
Dong
,
ACS Photonics
10
(
1
),
155
161
(
2023
).
9.
Y.
Chen
,
X.
Zheng
,
X.
Zhang
,
W.
Pan
,
Z.
Wang
,
S.
Li
,
S.
Dong
,
F.
Liu
,
Q.
He
,
L.
Zhou
, and
S.
Sun
,
Nano Lett.
23
(
8
),
3326
3333
(
2023
).
10.
Y.
Ke
,
Y.
Liu
,
Y.
He
,
J.
Zhou
,
H.
Luo
, and
S.
Wen
,
Appl. Phys. Lett.
107
(
4
),
041107
(
2015
).
11.
J.
Zhou
,
H.
Qian
,
C.-F.
Chen
,
J.
Zhao
,
G.
Li
,
Q.
Wu
,
H.
Luo
,
S.
Wen
, and
Z.
Liu
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
116
(
23
),
11137
11140
(
2019
).
12.
F.
Feng
,
G.
Si
,
C.
Min
,
X.
Yuan
, and
M.
Somekh
,
Light Sci. Appl.
9
(
1
),
95
(
2020
).
13.
J.
Wang
,
L.
Shi
, and
J.
Zi
,
Phys. Rev. Lett.
129
(
23
),
236101
(
2022
).
14.
A.
Slobozhanyuk
,
A. V.
Shchelokova
,
X.
Ni
,
S. H.
Mousavi
,
D. A.
Smirnova
,
P. A.
Belov
,
A.
Alù
,
Y. S.
Kivshar
, and
A. B.
Khanikaev
,
Appl. Phys. Lett.
114
(
3
),
031103
(
2019
).
15.
M.
Li
,
Y.
Wang
,
T.
Sang
,
H.
Chu
,
Y.
Lai
, and
G.
Yang
,
Photonics Res.
10
(
1
),
197
204
(
2022
).
16.
Z.
Lan
,
M. L. N.
Chen
,
J. W.
You
, and
W. E. I.
Sha
,
Phys. Rev. A
107
(
4
),
L041501
(
2023
).
17.
O.
Takayama
,
J.
Sukham
,
R.
Malureanu
,
A. V.
Lavrinenko
, and
G.
Puentes
,
Opt. Lett.
43
(
19
),
4602
4605
(
2018
).
18.
Z.
Su
,
Y.
Wang
, and
H.
Shi
,
Opt. Express
28
(
8
),
11309
11318
(
2020
).
19.
Z.
Zheng
,
N.
Xu
,
S. L.
Oscurato
,
F.
Sun
,
Y.
Jiang
,
Y.
Ke
,
J.
Chen
,
W.
Huang
,
W.
Wilson
,
A.
Ambrosio
,
S.
Deng
, and
H.
Chen
,
Sci. Adv.
5
(
5
),
eaav8690
(
2019
).
20.
Q.
Zhang
,
Q.
Ou
,
G.
Hu
,
J.
Liu
,
Z.
Dai
,
M. S.
Fuhrer
,
Q.
Bao
, and
C.-W.
Qiu
,
Nano Lett.
21
(
7
),
3112
3119
(
2021
).
21.
W.
Huang
,
F.
Sun
,
Z.
Zheng
,
T. G.
Folland
,
X.
Chen
,
H.
Liao
,
N.
Xu
,
J. D.
Caldwell
,
H.
Chen
, and
S.
Deng
,
Adv. Sci.
8
(
13
),
2004872
(
2021
).
22.
T.
Sang
,
Y.
Pei
,
Q.
Mi
,
S.
Li
,
C.
Yang
,
Y.
Wang
, and
G.
Cao
,
Opt. Express
30
(
9
),
14408
14420
(
2022
).
23.
Q.
Zhang
,
Q.
Ou
,
G.
Si
,
G.
Hu
,
S.
Dong
,
Y.
Chen
,
J.
Ni
,
C.
Zhao
,
M. S.
Fuhrer
,
Y.
Yang
,
A.
Alù
,
R.
Hillenbrand
, and
C.-W.
Qiu
,
Sci. Adv.
8
(
30
),
eabn9774
(
2022
).
24.
C.
Hu
,
T.
Sun
,
Y.
Zeng
,
W.
Ma
,
Z.
Dai
,
X.
Yang
,
X.
Zhang
, and
P.
Li
,
eLight
3
(
1
),
14
(
2023
).
25.
J.
Duan
,
G.
Álvarez-Pérez
,
K. V.
Voronin
,
I.
Prieto
,
J.
Taboada-Gutiérrez
,
V. S.
Volkov
,
J.
Martín-Sánchez
,
A. Y.
Nikitin
, and
P.
Alonso-González
,
Sci. Adv.
7
(
14
),
eabf2690
(
2021
).
26.
T. V. A. G. d.
Oliveira
,
T.
Nörenberg
,
G.
Álvarez-Pérez
,
L.
Wehmeier
,
J.
Taboada-Gutiérrez
,
M.
Obst
,
F.
Hempel
,
E. J. H.
Lee
,
J. M.
Klopf
,
I.
Errea
,
A. Y.
Nikitin
,
S. C.
Kehr
,
P.
Alonso-González
, and
L. M.
Eng
, “
Nanoscale-confined terahertz polaritons in a van der Waals crystal
,”
Adv. Mater.
33
(
2
),
2005777
(
2021
).
27.
S. A.
Dereshgi
,
T. G.
Folland
,
A. A.
Murthy
,
X.
Song
,
I.
Tanriover
,
V. P.
Dravid
,
J. D.
Caldwell
, and
K.
Aydin
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
5771
(
2020
).
28.
H.
Hu
,
N.
Chen
,
H.
Teng
,
R.
Yu
,
M.
Xue
,
K.
Chen
,
Y.
Xiao
,
Y.
Qu
,
D.
Hu
,
J.
Chen
,
Z.
Sun
,
P.
Li
,
F. J.
García de Abajo
, and
Q.
Dai
,
Science
379
(
6632
),
558
561
(
2023
).
29.
Z.
Zheng
,
J.
Jiang
,
N.
Xu
,
X.
Wang
,
W.
Huang
,
Y.
Ke
,
S.
Zhang
,
H.
Chen
, and
S.
Deng
,
Adv. Mater.
34
(
6
),
2104164
(
2022
).
30.
J.
Duan
,
G.
Álvarez-Pérez
,
A. I. F.
Tresguerres-Mata
,
J.
Taboada-Gutiérrez
,
K. V.
Voronin
,
A.
Bylinkin
,
B.
Chang
,
S.
Xiao
,
S.
Liu
,
J. H.
Edgar
,
J. I.
Martín
,
V. S.
Volkov
,
R.
Hillenbrand
,
J.
Martín-Sánchez
,
A. Y.
Nikitin
, and
P.
Alonso-González
,
Nat. Commun.
12
(
1
),
4325
(
2021
).
31.
Y.
Qu
,
N.
Chen
,
H.
Teng
,
H.
Hu
,
J.
Sun
,
R.
Yu
,
D.
Hu
,
M.
Xue
,
C.
Li
,
B.
Wu
,
J.
Chen
,
Z.
Sun
,
M.
Liu
,
Y.
Liu
,
F. J.
García de Abajo
, and
Q.
Dai
,
Adv. Mater.
34
(
23
),
2105590
(
2022
).
32.
G.
Deng
,
S. A.
Dereshgi
,
X.
Song
,
C.
Wei
, and
K.
Aydin
,
Phys. Rev. B
102
(
3
),
035408
(
2020
).
33.
H.
Hu
,
N.
Chen
,
H.
Teng
,
R.
Yu
,
Y.
Qu
,
J.
Sun
,
M.
Xue
,
D.
Hu
,
B.
Wu
,
C.
Li
,
J.
Chen
,
M.
Liu
,
Z.
Sun
,
Y.
Liu
,
P.
Li
,
S.
Fan
,
F. J.
García de Abajo
, and
Q.
Dai
,
Nat. Nanotechnol.
17
(
9
),
940
946
(
2022
).
34.
J.
Duan
,
N.
Capote-Robayna
,
J.
Taboada-Gutiérrez
,
G.
Álvarez-Pérez
,
I.
Prieto
,
J.
Martín-Sánchez
,
A. Y.
Nikitin
, and
P.
Alonso-González
,
Nano Lett.
20
(
7
),
5323
5329
(
2020
).
35.
M.
Chen
,
X.
Lin
,
T. H.
Dinh
,
Z.
Zheng
,
J.
Shen
,
Q.
Ma
,
H.
Chen
,
P.
Jarillo-Herrero
, and
S.
Dai
,
Nat. Mater.
19
(
12
),
1307
1311
(
2020
).
36.
G.
Hu
,
Q.
Ou
,
G.
Si
,
Y.
Wu
,
J.
Wu
,
Z.
Dai
,
A.
Krasnok
,
Y.
Mazor
,
Q.
Zhang
,
Q.
Bao
,
C.-W.
Qiu
, and
A.
Alù
,
Nature
582
(
7811
),
209
213
(
2020
).
37.
Z.
Zheng
,
F.
Sun
,
W.
Huang
,
J.
Jiang
,
R.
Zhan
,
Y.
Ke
,
H.
Chen
, and
S.
Deng
,
Nano Lett.
20
(
7
),
5301
5308
(
2020
).
38.
M.
Ye
,
B.
Qiang
,
S.
Zhu
,
M.
Dai
,
F.
Wang
,
Y.
Luo
,
Q.
Wang
, and
Q. J.
Wang
,
Adv. Opt. Mater.
10
(
19
),
2102096
(
2022
).
39.
C.
Pian
,
T.
Sang
,
S.
Li
,
C.
Yang
, and
X.
Zhang
,
Discover Nano
18
(
1
),
41
(
2023
).
40.
J.
Lv
,
Y.
Wu
,
J.
Liu
,
Y.
Gong
,
G.
Si
,
G.
Hu
,
Q.
Zhang
,
Y.
Zhang
,
J.-X.
Tang
,
M. S.
Fuhrer
,
H.
Chen
,
S. A.
Maier
,
C.-W.
Qiu
, and
Q.
Ou
,
Nat. Commun.
14
(
1
),
3894
(
2023
).
41.
G.
Álvarez-Pérez
,
K. V.
Voronin
,
V. S.
Volkov
,
P.
Alonso-González
, and
A. Y.
Nikitin
,
Phys. Rev. B
100
(
23
),
235408
(
2019
).
42.
G.
Álvarez-Pérez
,
T. G.
Folland
,
I.
Errea
,
J.
Taboada-Gutiérrez
,
J.
Duan
,
J.
Martín-Sánchez
,
A. I. F.
Tresguerres-Mata
,
J. R.
Matson
,
A.
Bylinkin
,
M.
He
,
W.
Ma
,
Q.
Bao
,
J. I.
Martín
,
J. D.
Caldwell
,
A. Y.
Nikitin
, and
P.
Alonso-González
,
Adv. Mater.
32
(
29
),
1908176
(
2020
).
43.
Z.
Yuan
,
Y.
Meng
,
W.
Ma
,
R.
Chen
,
T.
Wang
, and
P.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
120
(
13
),
131105
(
2022
).
44.
S. G.
Menabde
,
J.
Jahng
,
S.
Boroviks
,
J.
Ahn
,
J. T.
Heiden
,
D. K.
Hwang
,
E. S.
Lee
,
N. A.
Mortensen
, and
M. S.
Jang
,
Adv. Opt. Mater.
10
(
21
),
2201492
(
2022
).
45.
K. V.
Voronin
,
G.
Álvarez-Pérez
,
C.
Lanza
,
P.
Alonso-González
, and
A. Y.
Nikitin
,
ACS Photonics
11
,
550
560
(
2024
).
46.
E.
Yoxall
,
M.
Schnell
,
A. Y.
Nikitin
,
O.
Txoperena
,
A.
Woessner
,
M. B.
Lundeberg
,
F.
Casanova
,
L. E.
Hueso
,
F. H. L.
Koppens
, and
R.
Hillenbrand
,
Nat. Photonics
9
(
10
),
674
678
(
2015
).
47.
B.
Li
,
Y.
He
, and
S.
He
,
Appl. Phys. Express
8
(
8
),
082601
(
2015
).
48.
J. D.
Caldwell
,
L.
Lindsay
,
V.
Giannini
,
I.
Vurgaftman
,
T. L.
Reinecke
,
S. A.
Maier
, and
O. J.
Glembocki
,
Nanophotonics
4
(
1
),
44
68
(
2015
).
49.
F. J.
Rodríguez-Fortuño
,
G.
Marino
,
P.
Ginzburg
,
D.
O'Connor
,
A.
Martínez
,
G. A.
Wurtz
, and
A. V.
Zayats
,
Science
340
(
6130
),
328
330
(
2013
).
50.
P. V.
Kapitanova
,
P.
Ginzburg
,
F. J.
Rodríguez-Fortuño
,
D. S.
Filonov
,
P. M.
Voroshilov
,
P. A.
Belov
,
A. N.
Poddubny
,
Y. S.
Kivshar
,
G. A.
Wurtz
, and
A. V.
Zayats
,
Nat. Commun.
5
(
1
),
3226
(
2014
).
51.
P.
Li
,
M.
Lewin
,
A. V.
Kretinin
,
J. D.
Caldwell
,
K. S.
Novoselov
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
F.
Gaussmann
, and
T.
Taubner
,
Nat. Commun.
6
(
1
),
7507
(
2015
).
52.
W.
Ma
,
P.
Alonso-González
,
S.
Li
,
A. Y.
Nikitin
,
J.
Yuan
,
J.
Martín-Sánchez
,
J.
Taboada-Gutiérrez
,
I.
Amenabar
,
P.
Li
,
S.
Vélez
,
C.
Tollan
,
Z.
Dai
,
Y.
Zhang
,
S.
Sriram
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
S.-T.
Lee
,
R.
Hillenbrand
, and
Q.
Bao
,
Nature
562
(
7728
),
557
562
(
2018
).
You do not currently have access to this content.