Forskere ser dynamikken i plasmoniske skyrmioner lavet af lys på ultraglatte guldplader for første gang

Den destruktive kraft af en tornado opstår på grund af de ekstremt høje rotationshastigheder i dens centrum, som kaldes en hvirvel. Overraskende nok, lignende effekter forudsiges for lys, der bevæger sig langs en atomisk glat guldoverflade, som kan udvise vinkelmomentum og hvirvler. Forskere ved universiteterne i Stuttgart og Duisburg-Essen og University of Melbourne (Australien) er nu for første gang lykkedes med at filme disse hvirvelmønstre, som kaldes skyrmioner, på nanometerskalaen. Journalen Videnskab rapporterer dette banebrydende arbejde i sit nummer af 24. april, 2020.

Når en kunstskøjteløber begynder at lave en piruette og løfter armene, hun drejer om sin egen akse stadig hurtigere på grund af bevarelsen af ​​vinkelmomentum. På varme sommerdage, den samme piruette-effekt skaber såkaldte "støvdjævle, "dvs. små hvirvelvinde af varm luft, og det giver også store tornadoer deres ødelæggende kraft. Fysikeren Tony Skyrme studerede sådanne hvirvler i detaljer i 1960'erne i et forskningsfelt kaldet topologi. Mønstrene kaldes skyrmioner efter deres opdager.

Lys, der bevæger sig langs atomisk glat, nanostrukturerede guldoverflader kan også have en slags vinkelmomentum, og derfor kan der dannes hvirvler. Imidlertid, I dette tilfælde, hvirvlerne er kun et par hundrede nanometer store, og øjet af disse nanostorm er kun et par nanometer stort. Derfor, ingen har endnu været i stand til at måle den nøjagtige orientering af disse hvirvler. Det var også umuligt at se på hvirveldynamikken, fordi den tid, det tager lys at rejse én gang rundt om sådan en hvirvel, kun er et par femtosekunder (billiontedele af et millisekund).

I et banebrydende eksperiment, et team af forskere fra universitetet i Stuttgart, universitetet i Duisburg-Essen, og University of Melbourne i Australien er for første gang lykkedes med at filme sådanne plasmoniske skyrmioner lavet af lys på nanometerskalaen. Forskerne var i stand til at registrere retningen af ​​lysets elektriske og magnetiske felt i alle tre dimensioner, og målte endda dens dynamik. Teoretiker Tim Davis fra Melbourne, som besøgte Stuttgart og Duisburg med støtte fra IQST kvantecenter, beregnet de nødvendige lysbølgelængder, den optimale form af nanostrukturerne, samt den nøjagtige tykkelse af guldpladerne. Han forudsagde, hvordan regulære arrays (kaldet skyrmion-gitter) af lyshvirvler ville opføre sig.

Bettina Frank fra Harald Giessens forskningsgruppe ved 4. Fysik Institut ved Universitetet i Stuttgart producerede atomisk glatte guldplader med justerbar tykkelse i nanometerområdet ved hjælp af en nyudviklet metode. Ekstremt flade siliciumwafers blev brugt som et substrat til dette formål. Guldpladerne var nanostruktureret med en højpræcision guldionstråle. Ved bestråling med laserimpulser af en omhyggeligt beregnet bølgelængde i det infrarøde område, hele skyrmion-arrays af lys, såkaldte plasmoniske skyrmioner, kunne skabes.

Måling af vektordynamikken, dvs. den tredimensionelle justering af plasmonlysfelterne og deres tidsmæssige adfærd, blev med succes udført i et specifikt designet nyt eksperiment i gruppen af ​​Frank Meyer zu Heringdorf ved universitetet i Duisburg-Essen. Doktorandstuderende Pascal Dreher og David Janoschka sendte laserimpulser af kun 13 femtosekunders varighed ved 800 nm bølgelængde på guldpladerne med nanostrukturerne. Fotoeffekten, som Einstein modtog sin Nobelpris for, får elektroner til at blive kastet ud af guldprøven, som derefter måles med et elektronmikroskop. Ved smart at kombinere flere laserimpulser med forskellige lyspolariseringer og gentage eksperimentet flere gange, lysfelternes vektorkomponenter kunne bestemmes ved projektion.

Ved at sende to laserimpulser en efter en på prøven, nano-tornadoerne af lys kan både exciteres og efterfølgende sonderes af ultrakorte laserimpulser, således at inden for varigheden af ​​omkring en nat, en hel nanofilm af disse lyshvirvler kan optages.

Harald Giessen fra Stuttgart mener, at det måske i fremtiden på baggrund af denne forskning kan være muligt at skabe nye typer mikroskoper, der kunne producere meget mindre strukturer med lys, end det hidtil har været tilfældet. "Kombinationen af ​​det orbitale vinkelmoment og vektoregenskaberne fører til plasmoniske hvirvelstrukturer i nanometerområdet selv med lineær optik, " rapporterer han. "Det vil også være muligt eksperimentelt at observere tidsopløst skyrmion-fysik under en række forskellige randbetingelser."

Interaktionen mellem sådanne skyrmion-felter og deres kredsløbsvinkelmomentum med nabopartikler i halvledere, for eksempel i atomart tynde, todimensionelle materialer, bliver særligt spændende. "Takket være vores nye Raith ion-beam litografimaskine, vi har næsten uendelige muligheder for at generere forskellige topologiske nanostrukturer og studere deres skyrmion-dynamik med Duisburg nanokamera."