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APR: 深圳大学袁小聪教授团队在光学自旋斯格明子调控领域取得重要进展

撰稿|由课题组供稿

导读

近日，深圳大学杜路平教授、袁小聪教授团队与湖南大学段辉高教授团队合作，通过研究设计金属超表面结构的结构参数，首次实现不同波长的入射光可以在同一光学系统激发不同的光学自旋拓扑结构，并且对纳米结构一定程度的失序保持高度的稳定性。该工作不仅阐明了自旋拓扑结构变换的物理机制，而且为光学斯格明子的灵活调控和其未来的器件化奠定了基础。相关成果以“Wavelength-tuned transformation beTWeen photonic skyrmion and meron spin textures”为题，发表在美国物理联合会(AIP)旗下顶级物理期刊《Applied Physics Reviews》。

研究背景

 

“斯格明子(skyrmion)”是一种具有拓扑保护性的准粒子。自1962年由英国物理学家Tony Skyrme在理论上提出以来，先后在二维电子气、波色-爱因斯坦凝聚、磁性、超导等“粒子”体系中被发现，经过数十年的研究已成为拓扑物理学领域的一个重要分支。近年来，深圳大学微纳光电子学研究院的杜路平教授、袁小聪教授团队通过研究近场光学的自旋-轨道耦合作用，发现了在二维体系下光学自旋的斯格明子结构 (Nature Physics 15, 650-654 (2019))，证明了以电磁波为代表的“波动”体系中也存在斯格明子结构，开启了光学斯格明子方向的研究。光学斯格明子兼具电磁波传播速度“快”和准粒子结构空间尺度“小”的优势，对于发展新一代高速、高集成、高灵敏的光电子信息技术具有重要意义。近5年该方向已发表Nature/Science及其子刊、PNAS/PRL等国际顶级期刊论文20余篇，成为光学领域的研究前沿之一。
在之前关于光学自旋斯格明子拓扑结构的研究中，研究人员只在一些特定的光学系统中观测到单一的拓扑结构，如光学斯格明子或光学半子，而尚未实现拓扑结构之间的调控变换。最近，在磁性和液晶等材料中，研究人员已实现外场调控的斯格明子、半子、霍普夫子等拓扑结构之间的变换 (如Nature, 564, 95-98 (2018))。实现光学自旋拓扑结构的调控变换将是拓扑光子学领域的一个关键突破，不仅在基础物理学科具有重要的科学意义，而且为光学斯格明子信息编码提供了可调节的自由度，这为光学斯格明子的应用发展提供了基础。

研究亮点

在该工作中，波长调控的光学自旋斯格明子和半子阵列变换是在图1所示的金属纳米孔阵列超表面实现的，它可以对纳米结构一定程度的失序保持高度的稳定性。当圆偏振光入射时，每一个纳米孔表面的电磁场可以近似为圆偏振表面等离激元(SPP)偶极子,其电场纵向分量表示为Ez。金属纳米孔阵列表面的电磁场可以近似为圆偏SPP偶极子在二维晶格上的叠加，数学上可表达为单个圆偏SPP偶极子电场与晶格函数之间的卷积：       

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对叠加后的总场进行傅里叶变换可得：           

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其中APR: 深圳大学袁小聪教授团队在光学自旋斯格明子调控领域取得重要进展是单个圆偏SPP偶极子电场的傅里叶变换结果，它呈现为半径是波矢的圆环，而APR: 深圳大学袁小聪教授团队在光学自旋斯格明子调控领域取得重要进展是二维晶格倒格子空间的格点。

 

 

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图1 不同自旋拓扑结构变换示意图。波长为532nm和780nm的圆偏振光可以在具有一定程度结构失序的金属纳米孔阵列表面分别激发光学自旋斯格明子和半子阵列。

由公式(2)可知，圆环必须与倒格点重叠，总场才不为零。以图2(a)所示的正方格子为例，绿色和红色的圈都只能覆盖四个倒格点，因此该系统只能激发光学半子。而如果将Γ-X1方向的周期从APR: 深圳大学袁小聪教授团队在光学自旋斯格明子调控领域取得重要进展收缩到APR: 深圳大学袁小聪教授团队在光学自旋斯格明子调控领域取得重要进展，而Γ-X2方向的周期保持不变，如图2(b)所示，那么绿色和红色的圈将分别与六个和四个不同的倒格点重叠，其叠加后的光场分别呈六角和四角对称。在这种情况下，SPP波长分别满足APR: 深圳大学袁小聪教授团队在光学自旋斯格明子调控领域取得重要进展，其光学自旋纵向分量Sz理论计算结果如图2(c)和(d)所示，自旋矢量分布如图2(e)和(f)所示,分别呈现光学斯格明子和半子阵列分布。而当SPP波长为其他特定数值时，与其他不同数目的倒格点重叠，与其对应的光学自旋纹理则会呈现其他各种不同的图案。

 

 

 

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图2 拉伸结构周期实现自旋结构变换。(a) 正方形和 (b) 长方形的倒格点。(c) 波长为λ1=532 nm和 (d) λ2=780 nm的圆偏SPP偶极子叠加在a=1013 nm的长方形格点上所计算出来的Sz。(e) 光学自旋斯格明子和 (f) 半子阵列的自旋矢量分布俯视图。
为了避免实验过程中穿过纳米孔的背景光影响信号光的检测，样品中心区域是没有刻蚀纳米孔的，其SEM图如图3(a)所示，该设计已由理论计算证明其可行性。近场扫描光学显微镜 (NSOM) 的实验结果如图2(b)和(c)所示，其入射波长分别为λ1=532 nm和λ2=780 nm。由于NSOM孔径型光纤探针检测结果可近似为正比于横向电场分量，因此银纳米孔阵列|E//|2的FDTD模拟计算结果如图2(d)和(f)所示,结果表明实验测量与模拟计算基本吻合，实现了波长调控的自旋拓扑结构对称性变换。
 

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图3 波长调控的对称性变换。(a) 银纳米孔阵列的SEM图像和NSOM实验的示意图。(b) 银纳米孔阵列在入射波长为λ1=532 nm和 (c) λ2=780 nm时的NSOM测量结果。(d) 入射波长为λ1和 (e) λ2时具有20×20−8×8个纳米孔的银纳米孔阵列的横向电场分量|E//|2的FDTD模拟计算结果。
此外，如果在二维晶格的每个格点上增加随机位移，其中APR: 深圳大学袁小聪教授团队在光学自旋斯格明子调控领域取得重要进展，APR: 深圳大学袁小聪教授团队在光学自旋斯格明子调控领域取得重要进展，APR: 深圳大学袁小聪教授团队在光学自旋斯格明子调控领域取得重要进展 表示取值 −1到 +1之间的随机数，γ为随机程度，λsp表示SPP波长，当波长λ1的圆偏SPP偶极子叠加在每个格点上时，其相应的光学自旋纹理如图4所示。当γ从0不断增加到0.4时，虽然从图4中可以看到二维晶格的格点已变得有些混乱，但其相应的光学自旋纹理仍呈现规则的斯格明子阵列分布。而当γ增大到0.5时，光学自旋纹理才变得混乱。由此可见，随机程度γ存在一个阈值，在阈值以下，光学自旋纹理的分布具有高度稳定性。在阈值以上，光学自旋纹理的分布才变得混乱。当波长改为λ2时也有类似的结果。对于阈值的理论计算，可以对总场的傅里叶变换结果进行分析，判断APR: 深圳大学袁小聪教授团队在光学自旋斯格明子调控领域取得重要进展在什么情况下无法与倒格点进行重叠，从而推导出γ的阈值。
 

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图4 自旋结构对结构失序的稳定性。(a) 结构格点位置随机偏移的示意图。(b–f) 入射波长为λ1=532 nm的圆偏SPP偶极子在具有200×200个格点的长方形晶格上的电场叠加计算出的Sz，晶格具有不同程度的随机性：(b) γ=0.1，(c) γ=0.2，(d) γ=0.3，(e) γ=0.4，(f) γ=0.5；小图中是相应的具有随机偏移的晶格示意图。

总结与展望

 

该工作通过傅里叶分析的方法设计金属纳米孔阵列的结构周期参数，首次在同一光学系统中实现波长调控的光学自旋斯格明子和半子阵列之间的变换，并利用NSOM进行实验测量。此外，金属纳米孔阵列表面的自旋拓扑结构呈现出对结构组成单元随机偏移一定程度的稳定性，其随机偏移阈值可通过理论推导。该工作增加了光学斯格明子可调节的自由度，在光场调控、自旋光子学、拓扑光子学等领域的研究中具有重要价值。
深圳大学杜路平教授、袁小聪教授和湖南大学段辉高教授为论文的共同通讯作者，深圳大学林旻副研究员与湖南大学刘卿博士为共同第一作者，深圳大学是第一单位和第一通信单位。
该研究得到了广东省基础与应用基础重大项目、国家自然科学基金、深圳市杰出青年基金等的支持。

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