De vortexbundel met orbitaal impulsmoment (OAM) is een nieuw en ideaal hulpmiddel om dipool verboden toestanden selectief te exciteren door lineaire optische absorptie. De opkomst van de vortexbundel met OAM biedt intrigerende mogelijkheden om optische overgangen te induceren buiten het kader van elektrische dipoolinteracties. Het unieke kenmerk kwam voort uit de overdracht van OAM van licht naar materiaal, zoals aangetoond met elektronische overgangen in atomaire systemen.

In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , T. Arikawa en een team van onderzoekers in de natuurkunde, elektrotechniek en celmateriaalwetenschap in Japan en Canada, gedetailleerde OAM-overdracht naar elektronen in solid-state systemen. Ze gebruikten metamaterialen om te laten zien hoe multipolaire modi van elektromagnetische excitaties aan het oppervlak, ook bekend als 'spoof' gelokaliseerde oppervlakteplasmonen, kan selectief worden geïnduceerd door de terahertz-vortexbundel. Spoof-oppervlakteplasmonen zijn een type oppervlakteplasmonpolariton (SPP) dat zich doorgaans voortplant over diëlektrische en metalen interfaces bij infrarode en zichtbare frequenties. Echter, aangezien dergelijke polaritonen van nature niet kunnen voorkomen in terahertz- of microgolffrequenties, spoof oppervlakteplasmonen vereisen kunstmatige metamaterialen voor voortplanting in dergelijke frequenties.

De selectieregels van de studie werden bepaald door het behoud van het totale impulsmoment, die Arikawa et al. bevestigd met behulp van numerieke simulaties. De efficiënte overdracht van licht baanimpulsmoment naar elementaire excitaties bij kamertemperatuur in solid-state systemen kan het potentieel voor experimentele OAM-manipulatie vergroten om OAM-gebaseerde toepassingen te construeren, inclusief kwantumgeheugens en op OAM gebaseerde sensoren.

Licht-materie interacties worden beheerst door ruimtelijk-temporele structuren van een lichtveld en via materiaalgolffuncties. Onderzoekers hebben niet-lineaire optische methoden gebruikt, zoals twee-fotonabsorptie om selectief een specifieke donkere modus op te wekken, in aanwezigheid van sterke lichtbronnen. De OAM (orbitaal impulsmoment) biedt een nieuwe methode om selectief dipool-verboden toestanden op te wekken door lineaire optische absorptie, terwijl verschillende selectieregels worden afgeleid. Wetenschappers kunnen dergelijke selectiviteit onderzoeken, met betrekking tot OAM-overdracht van licht naar een materiaal, hoewel dergelijke overgangen erg klein zijn om op te nemen. In dit werk, Arikawa et al. onderzocht elektronen in vaste stoffen met uitgebreide golffuncties als een ideaal platform om vortex-licht-materie-interacties te bestuderen.

Recente studies in elektromagnetische veldanalyse hadden een efficiënte OAM-overdracht voorspeld van vortexbundels naar gelokaliseerde oppervlakteplasmonen (LSP's) in een metalen schijf. Tijdens simulaties, multipolaire modi met groot impulsmoment, d.w.z. quadrupool, hexapool, enzovoort., kan selectief worden geëxciteerd als gevolg van OAM-overdracht.

In dit werk, het team toonde experimenteel selectieve excitatie met behulp van spoof LSP (een laagfrequente analoog van LSP) die kan bestaan ​​rond het oppervlak van een periodiek getextureerde metalen schijf. Ze bouwden de metamateriaalstructuur om de resonantiefrequenties terug te brengen tot het terahertz (THZ) frequentiebereik voor niet-destructieve beeldvorming. Dankzij de experimentele opstelling konden de wetenschappers de karakteristieke patronen rond de gegolfde schijf visualiseren en spoof LSP-modi identificeren die in het monster werden opgewekt. Om near-field-patronen als gevolg van LSP's te visualiseren, Arikawa et al. ontworpen gegolfde gouden schijven op het bovenoppervlak van een terahertz (THZ) detectorkristal, om het elektrische veld te bemonsteren dat zich op enkele micrometers van de metalen structuur vormde. Ze voerden de experimenten uit bij kamertemperatuur en verkregen vijf snapshots van het THZ-elektrische veld rond het monster na excitatie door een lineair gepolariseerde Gauss-bundel.

In de tijd opgeloste near-field-beeldvorming en modusuitbreidingsanalyse .

Nadat de invallende terahertz-puls door het monster was gegaan, het team observeerde een elektrische veldoscillatie gelokaliseerd rond de buitenste cirkel van het monster als een resonante excitatie van spoof LSP, die het verwachte elektrische veldpatroon weergeeft. Het werk bevestigde de excitatie van de dipoolmodus door de Gauss-straal en dat meerdere spoof-LSP's konden worden geëxciteerd door vortexstralen. Om dit punt te illustreren, Arikawa et al. voerde aanvullende analyses uit door te focussen op het elektrische veld langs de buitenste cirkel van het monster om het frequentiespectrum van elke LSP-modus weer te geven. De resultaten toonden de efficiënte en selectieve excitatie van multipolaire modi op basis van de OAM van licht, waardoor de wetenschappers alle spoof LSP-modi die in het monster zijn opgewekt, kunnen identificeren.

De analyse onthulde bovendien de resonantiefrequentie van elke modus, waardoor ze de dispersierelatie kunnen tekenen, d.w.z. de relatie tussen de optische frequentie en de voortplantingsconstanten van oppervlakteplasmonpolaritonmodi. De dispersierelatie van de spoof-LSP's was afhankelijk van de geometrische parameters van de metalen structuren, de wetenschappers een krachtig hulpmiddel bieden om de resonantiefrequenties te regelen. Het team voerde aanvullende experimenten en analyses uit op monsters met verschillende afmetingen van golfvorming om de controle van de resonantiefrequentie aan te tonen. Met de resultaten konden ze de selectieregels in het systeem afleiden om meerdere spoof-LSP's te prikkelen. De waarnemingen ondersteunden sterk dat de selectieregels werden bepaald door het behoud van het totale impulsmoment (TAM), die het team vervolgens numeriek bevestigde voor spoof-LSP's met behulp van vergelijkbare elektromagnetische veldanalyses.

Op deze manier, T. Arikawa en collega's observeerden reizende oppervlaktegolven met lage elektronenverstrooiing om coherente collectieve beweging van elektronen over het hele monster mogelijk te maken. De frequentie-afstembaarheid van de gegolfde metalen schijfgeometrie maakte het een zeer veelzijdige OAM-ontvanger met brede frequenties, zolang de verstrooiing in de experimentele opstelling voldoende laag was. Het team verwacht dat de OAM overgaat op andere elementaire excitaties in vaste stoffen, waaronder Rydberg-excitons, skyrmionen en fononen, hoewel ze in dergelijke gevallen focustechnieken nodig hebben die verder gaan dan de diffractielimiet. Het werk aan efficiënte OAM-uitwisseling tussen licht en elementaire excitaties in solid-state systemen zal van fundamenteel belang zijn om nieuwe solid-state apparaten voor OAM-toepassingen te genereren.

© 2020 Wetenschap X Netwerk