Топологические спиновые текстуры, представляющие собой пространственно организованные структуры, связанные с собственным угловым моментом частиц, оказались весьма перспективными для развития спинтроники и квантовых технологий. Среди этих текстур наиболее изучены скирмионные текстуры — двумерные и устойчивые структуры ориентации спина.
В области оптики и фотоники физики до сих пор в основном изучали скирмионные текстуры в реальном пространстве. Однако их можно исследовать и в так называемом импульсном пространстве, где свет описывается на основе его импульса в плоскости.
Исследования в импульсном пространстве
Исследователи из Университета Фудань и Наньянского технологического университета недавно продемонстрировали реализацию меронных спиновых текстур в импульсном пространстве, используя микроструктурированные материалы, которые контролируют распространение света. Их статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters, может открыть новые возможности для изучения взаимодействия между топологией и светом, а также внести вклад в развитие оптических устройств и квантовых технологий.
«Эта работа является результатом наших давних исследований скрытых свойств связанных состояний в континууме (BICs)», — рассказал Lei Shi, соавтор статьи. «BICs — это важные топологические особенности, обеспечивающие сверхвысокие добротности и несущие конфигурации поляризационных вихрей в импульсном пространстве. Эти свойства сделали BICs идеальными платформами для изучения топологического управления световыми полями».
Связанные состояния в континууме (BICs)
В рамках своих более ранних работ Shi и его коллеги подробно исследовали топологические конфигурации BICs. BICs — это необычные физические состояния, которые не излучают и остаются связанными, даже если они существуют в открытых системах и в диапазоне энергий, при которых волны обычно просачиваются или распространяются.
«В наших предыдущих исследованиях мы изучали топологические конфигурации BICs в различных областях, включая векторный лазер, генерацию оптических вихрей и даже эффект спин-Холла света», — сказал Shi. «Эти исследования изначально заложили основу нашего понимания того, как BICs модулируют световые поля».
Реализация скирмионных световых полей
За последние несколько лет исследователи также были вдохновлены значительными достижениями в реализации так называемых скирмионных световых полей. Это структурированные паттерны физических векторов в световых полях, которые тесно повторяют топологическую структуру вихреподобных спиновых текстур, известных как магнитные скирмионы.
«Скирмионные световые поля, как важный класс структурированных световых полей, вызвали значительный интерес благодаря своим новым свойствам и потенциальным приложениям», — сказал Shi. «Исследования скирмионных световых полей всё ещё находятся на ранней стадии, и многие аспекты остаются неизученными. Среди них генерация скирмионных световых полей особенно важна, поскольку она формирует основу для дальнейших исследований и применений».
Генерация скирмионных световых полей
Ранее проведённые исследования показывают, что генерация скирмионных световых полей тесно связана с оптическими вихрями. Недавние исследования Shi и его коллег основаны на этом важном выводе и на их предыдущих попытках управления световыми полями с помощью BICs.
«Мы начали исследовать, можно ли использовать уникальные свойства BICs для генерации скирмионных световых полей», — сказал Shi. «С одной стороны, мы стремились изучить взаимосвязь между топологическими конфигурациями поляризации BICs и скирмионными световыми полями, а также лежащими в основе физическими механизмами, управляющими этой связью. С другой стороны, мы стремились разработать компактный и простой метод генерации скирмионных световых полей, который мог бы проложить путь для их более широкого применения в будущем».
Для генерации меронных спиновых текстур в импульсном пространстве Shi, Wang и их коллеги сначала разработали фотонный кристаллический слой. Это микроструктурированный материал, изготовленный путём травления периодических отверстий в стоящей свободно диэлектрической плёнке.
«Фокусируя монохроматический циркулярно поляризованный лазерный луч на фотонный кристаллический слой, мы можем реализовать генерацию оптических меронных текстур (одного из видов скирмионных световых полей)», — объяснил Shi.
Используя самодельную систему измерений, основанную на фурье-оптике, исследователи измерили распределения поляризации дальнего поля прошедшего света и получили соответствующие параметры Стокса. Здесь нормализованные векторы Стокса являются псевдоспинами изучаемого структурированного света.
Анализируя собранные измерения, исследователи смогли охарактеризовать спиновые текстуры в импульсном пространстве в переданном свете. Это в конечном итоге подтвердило потенциал их подхода для генерации скирмионных световых полей.
«Мы предложили новый метод генерации стоуксовых меронных спиновых текстур в импульсном пространстве и выявили связь между BICs, вихрями поляризации в импульсном пространстве, фазовыми вихрями и скирмионными световыми полями», — сказал Shi. «Наш метод не только решает критические задачи в генерации скирмионных световых полей, но и создаёт надёжную основу для их будущих исследований и применений».
«BICs существуют в фотонных кристаллических слоях — периодических диэлектрических структурах без центра в реальном пространстве», — добавил Wang. «По сравнению с традиционными метаповерхностями наш метод имеет очевидное преимущество, не требующее выравнивания».
Новый подход к генерации скирмионных световых полей, разработанный Shi, Wang и их коллегами, вскоре может быть использован другими исследовательскими группами для изучения топологически структурированного света. В будущем он может способствовать практическому применению скирмионных световых полей для оптической обработки информации, сбора оптических измерений или разработки квантовых оптических устройств.
«Мы планируем продолжить изучение скрытых эффектов топологии импульсного пространства, обеспечиваемой BICs», — добавил Shi. «Кроме того, мы стремимся глубже изучить новые эффекты и потенциальные приложения генерируемых скирмионных световых полей, такие как их свойства распространения и стабильность при возмущениях».