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光学斯格明子,赋能信息光子新时代

时间:2024-01-05 点击量: 610

以下文章来源于爱光学 ,作者有理想


作为一种特殊的拓扑自旋结构,斯格明子在量子场论、固体物理以及磁介质等应用环境下,有着独特、重要的作用。光学斯格明子的发现,也为这种特殊模型打开了信息光学的大门;学界普遍认为,由于拓扑保护所带来的极端稳定性,这种拓扑自旋结构将为先进光子学理论拓展及实际应用,带来前所未有的机遇。

近日,来自新加坡南洋理工大学申艺杰助理教授联合深圳大学袁小聪教授团队以及伦敦国王学院Anatoly V. Zayats 教授,以“Optical skyrmions and other topological quasiparticles of light”为题在Nature Photonics发表光学斯格明子综述文章,概述了光学斯格明子的最新进展和分类方法,总结了不同场景下光学斯格明子的产生和调控方法;进一步讨论了超越斯格明子广义拓扑准粒子;最后概述光学斯格明子的潜在应用,并展望该领域的前景与挑战。


由“磁”向光,斯格明子为光场调控注入全新机遇

斯格明子(Skyrmion)是一种局域在二维平面的三维自旋矢量场,表现为拓扑稳定的自旋纹理,最早是由英国粒子物理学家托尼·斯格明(Tony Skyrme)于1961年提出局域孤子模型来表示一类核子的拓扑结构,满足此模型的拓扑准粒子被称为斯格明子。斯格明子在基本粒子、玻色爱因斯坦凝聚、液晶、磁性材料等多种物理体系得到广泛的研究。最近,不同物理场景下的光学斯格明子陆续被报道,并被应用于超分辨成像、计量、传感、光通信等领域,光学斯格明子受到前所未有的关注,并成为光学领域的研究热点。

从形成机制上看,拓扑纹理可以通过矢量场实现从参数空间到实空间的映射来构造,例如从三维到二维实空间,类似于立体投影。特别地,斯格明子可以由三维参数单位球体上的矢量分布映射到二维平面内得到,不同的斯格明子拓扑纹理可以通过在参数球体上适当排列矢量分布或改变其展开的方式来实现,几种斯格明子具体表现形式如图1所示:

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图1 光学斯格明子的不同拓扑映射:(a) 矢量分布呈刺猬形状的Néel 型斯格明子;(b) 矢量分布呈涡旋形状的Bloch 型斯格明子;(c) 反型斯格明子;(d) 双半子

斯格明子纹理分类可以由斯格明子数s和拓扑荷数(极性p、涡度m和螺旋度γ)决定;其中,极性p决定斯格明子纹理中心矢量方向向上(p = -1)或向下(p = 1),涡度m决定斯格明子纹理为奈尔型、布洛赫型(m=1)或反斯格明子(m=-1),螺旋度γ决定斯格明子纹理为奈尔型(γ=0,π)或布洛赫型(γ=±π⁄2)。根据以上参数,可以分类出具有刺猬纹理的奈尔型斯格明子(Néel-type skyrmion)、涡旋纹理的布洛赫型斯格明子(Bloch-type skyrmion)和鞍型纹理的反斯格明子(Anti-type skyrmion)。值得注意的是,此分类方法适用于其它拓扑准粒子,如图2所示:

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图2 拓扑准粒子的分类:从上到下:斯格明子(Skyrmion),嵌套斯格明子(Skyrmionium),双半子(Bimeron),嵌套双半子(Bimeronium)


构造方式百变灵活,光学斯格明子竟有这般奥妙

光学斯格明子可以用各种三维矢量场构造,比如电场矢量(Ex,Ey,Ez),自旋角动量分量(sx,sy,sz),偏振斯托克斯矢量(Sx,Sy,Sz)和赝自旋矢量(Kx,Ky,Kz),在实空间、动量空间或四维时空物理空间可以得到各种光学斯格明子,满足相应的映射,如图3所示:

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图3 光学斯格明子的不同构造方式

在不同的波导结构中,光学斯格明子也有着多面的表现方式。在本文所介绍的工作中,袁小聪教授对于不同结构中光学斯格明子的产生机制及研究现状进行了综述 (如图4所示),并对光学斯格明子进行了种类上的划分,对以下5类光学斯格明子,袁教授进行了深入的讨论介绍:

  • 倏逝场的斯格明子:平面波导中的倏逝场存在纵向分量,是构造斯格明子的良好载体。例如,在六重对称谐振腔中叠加表面等离子激元驻波电场构造动态场斯格明子(图4a)和利用倏逝电磁场的自旋矢量构造静态的自旋斯格明子(图4b)。进一步地,可以通过剪裁等离子体自旋场,构建新型三重半子结构(图4c)。然而,倏逝场中的只存在奈尔型斯格明子。

  • 结构介质的斯格明子:在均匀介质界表面产生光学布洛赫型斯格明子仍然是个挑战,而结构介质(各向异性、手性和磁光性质等)提供了相关的扭曲自由度(螺旋度),使布洛赫型斯格明子产生成为可能,例如,在手性液晶微腔中产生偏振斯托克斯矢量的二阶半子纹理(图4e)和在非线性光子晶体中构造伪自旋斯格明子(图4f)。

  • 自由空间的斯格明子:利用紧聚焦在传播场引入纵向场分量实现三维矢量分布,也可以构造出斯格明子,但由于光学衍射,其拓扑稳定性需要进一步探索。同样地,傍轴条件下矢量光场的斯托克斯矢量同样可以构建斯托克斯斯格明子(图4g和h),此类型斯格明子在传播是具有很好的拓扑稳定性,奈尔型斯格明子和布洛赫型斯格明子可以相互转换但斯格明子数s保持不变。

  • 时空斯格明子:在麦克斯韦方程组的时空不可分离超短脉冲的情况下,在同一脉冲内可以实现具有不同拓扑结构(涡旋为1,极性在1和-1间交替)的多个斯格明子的传播(图4i),无衍射的超环形脉冲可以使斯格明子长距离传播。

  • 动量空间的斯格明子:动量(k)空间中的斯格明子与实空间的斯格明子定义方式相似,用波矢量空间代替实空间进行拓扑映射。通过设计适当的光子晶体能带结构,在动量空间构造赝自旋斯格明子和斯托克斯半子纹理(图4j),这种动量空间半子可以被用来产生无衍射的时空光子弹(Light bullet)。

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图4 多样化的光学斯格明子。a-d,倏逝场中的斯格明子;e-f,结构介质中的斯格明子 g-h,自由空间中的斯格明子;i,时空斯格明子 j,动量空间中的半子 k,三维霍普夫子 l,非定域斯格明子


除了光学斯格明子,还存在复杂度超过斯格明子的拓扑准粒子,比如,径向扭曲结构的嵌套斯格明子(skyrmionium)、与斯格明子同构的双半子(Bimeron)、径向扭曲结构的嵌套双半子(Bimeronium)、三维斯格明子管(Skyrmion tube)、三维霍普夫子(Hopfion)等,袁小聪教授也在文章中进行了论述说明。


  总结与展望  

本文介绍的工作,深入细致地介绍了光学斯格明子的产生原理及分类,向我们系统论述了光学斯格明子的前世今生,能够对有志于从事相关研究的科研人员及低年级研究生,提供一份详实可靠的入门读物。作为一种兼具极小、极快、拓扑多样性与拓扑稳定性特点的光学结构,光学斯格明子可以被应用于光与物质相互作用、超分辨成像、计量、传感和光通信等领域,并且可以进一步推广到声波、弹性波和原子波等学术研究中,产生较好的交叉效果。

尽管光学斯格明子有着明朗的应用前景,但该方向的研究仍处于起步阶段,有许多基本的理论问题(光场拓扑结构与人工拓扑结构相互作用诱导复杂拓扑准粒子、量子领域的斯格明子纠缠等)有待解决,其在一些实际应用(超分辨成像、精密测距、量子技术等)中的作用方式及优势有待进一步探索。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41566-023-01325-7