Overførsel af orbital vinkelmoment til plasmoniske excitationer i metamaterialer

Hvirvelstrålen med orbitalt vinkelmoment (OAM) er et nyt og ideelt værktøj til selektivt at excitere dipolforbudte tilstande gennem lineær optisk absorption. Fremkomsten af ​​hvirvelstrålen med OAM giver spændende muligheder for at fremkalde optiske overgange ud over rammerne for elektriske dipolinteraktioner. Den unikke egenskab opstod ved overførsel af OAM fra lys til materiale som demonstreret med elektroniske overgange i atomsystemer.

I en ny rapport om Videnskab fremskridt , T. Arikawa og et team af forskere inden for fysik, elektroteknik og cellematerialevidenskab i Japan og Canada, detaljeret OAM-overførsel til elektroner i solid-state systemer. De brugte metamaterialer til at vise, hvordan multipolare tilstande af elektromagnetiske overflader, også kendt som 'spoof' lokaliserede overfladeplasmoner, kunne induceres selektivt gennem terahertz vortexstrålen. Spoof overfladeplasmoner er en type overfladeplasmon polariton (SPP), der typisk formerer sig på tværs af dielektriske og metalliske grænseflader ved infrarøde og synlige frekvenser. Imidlertid, da sådanne polaritoner ikke naturligt kan forekomme i terahertz- eller mikrobølgefrekvenser, spoof overfladeplasmoner kræver kunstige metamaterialer til spredning i sådanne frekvenser.

Undersøgelsens udvælgelsesregler blev styret af bevarelsen af ​​det totale vinkelmoment, som Arikawa et al. bekræftet ved hjælp af numeriske simuleringer. Den effektive overførsel af let orbital vinkelmoment til elementære excitationer ved stuetemperatur i solid state-systemer kan udvide potentialet for eksperimentel OAM-manipulation til at konstruere OAM-baserede applikationer, herunder kvantehukommelser og OAM-baserede sensorer.

Lys-stof-interaktioner styres af rumlige-tidsmæssige strukturer i et lysfelt og via materialebølgefunktioner. Forskere har brugt ikke-lineære optiske metoder såsom to-fotonabsorption til selektivt at ophidse en bestemt mørk tilstand, i nærvær af stærke lyskilder. OAM (orbital angular momentum) giver en ny metode til selektivt at excitere dipolforbudte tilstande gennem lineær optisk absorption, samtidig med at der udledes forskellige udvælgelsesregler. Forskere kan undersøge sådan selektivitet, i forhold til OAM -overførsel fra lys til et materiale, selvom sådanne overgange er meget små at registrere. I dette arbejde, Arikawa et al. undersøgte elektroner i faste stoffer med udvidede bølgefunktioner som en ideel platform til at studere hvirvel-lys-stof-interaktioner.

Nylige undersøgelser inden for elektromagnetisk feltanalyse havde forudsagt effektiv OAM -overførsel fra hvirvelstråler til lokaliserede overfladeplasmoner (LSP'er) i en metalskive. Under simuleringer, multipolare tilstande med stort vinkelmoment, dvs. quadrupol, hexapol, etc., kan selektivt ophidses som følge af OAM -overførsel.

I dette arbejde, teamet viste eksperimentelt selektiv excitation ved hjælp af spoof LSP (en lavfrekvent analog af LSP), der kan eksistere omkring overfladen af ​​en periodisk struktureret metallisk disk. De byggede metamaterialestrukturen for at bringe resonansfrekvenserne ned til terahertz (THZ) frekvensområdet for ikke-destruktiv billeddannelse. Den eksperimentelle opsætning tillod forskerne at visualisere de karakteristiske mønstre omkring den bølgede disk og identificere spoof LSP -tilstande, der var spændte i prøven. For at visualisere nærfeltmønstre på grund af LSP'er, Arikawa et al. konstruerede bølgede guldskiver på den øverste overflade af en terahertz (THZ) detektorkrystal, for at prøve det elektriske felt, der dannede et par mikrometer væk fra den metalliske struktur. De udførte eksperimenterne ved stuetemperatur og opnåede fem øjebliksbilleder af det elektriske THZ -felt omkring prøven efter excitation af en lineært polariseret gaussisk stråle.

Tidsopløst nær-felt billeddannelse og tilstandsudvidelsesanalyse .

Efter hændelsen passerede terahertz -pulsen gennem prøven, holdet observerede en elektrisk feltoscillation lokaliseret omkring den ydre cirkel af prøven som en resonant excitation af spoof LSP, repræsenterer det forventede elektriske feltmønster. Arbejdet bekræftede exciteringen af ​​dipoltilstanden fra den gaussiske stråle, og at flere spoof LSP'er kunne blive ophidset af hvirvelstråler. For at illustrere dette punkt, Arikawa et al. udført yderligere analyser ved at fokusere på det elektriske felt langs prøveens ydre cirkel for at repræsentere frekvensspektret for hver LSP -tilstand. Resultaterne viste den effektive og selektive excitation af multipolære tilstande baseret på lysets OAM, giver forskerne mulighed for at identificere alle spoof LSP -tilstande, der er spændte i prøven.

Analysen afslørede desuden resonansfrekvensen for hver tilstand, tillader dem at tegne dispersionsforholdet, dvs. forholdet mellem den optiske frekvens og forplantningskonstanterne i overfladeplasmon polariton -tilstande. Spredningsforholdet mellem spoof LSP'erne afhængede af de geometriske parametre for de metalliske strukturer, giver forskerne et kraftfuldt værktøj til at styre resonansfrekvenserne. Teamet udførte yderligere eksperimenter og analyser på prøver med forskellige dimensioner af korrugering for at demonstrere resonansfrekvenskontrol. Resultaterne gav dem mulighed for at udlede udvælgelsesreglerne i systemet til at ophidse flere spoof LSP'er. Observationerne understøttede kraftigt, at udvælgelsesreglerne var styret af bevarelsen af ​​total vinkelmoment (TAM), som teamet derefter numerisk bekræftede for spoof LSP'er ved hjælp af lignende elektromagnetiske feltanalyser.

På denne måde, T. Arikawa og kolleger observerede vandrende overfladebølger med lav elektronspredning for at muliggøre sammenhængende kollektiv bevægelse af elektroner over hele prøven. Frekvensjusterbarheden af ​​den bølgede metalliske diskgeometri tillod den at være en meget alsidig OAM -modtager med vidt forskellige frekvenser, så længe spredningen i den eksperimentelle opsætning var tilstrækkelig lav. Teamet forventer, at OAM overfører til andre elementære excitationer i faste stoffer, herunder Rydberg -excitoner, skyrmions og fononer, selvom de vil have brug for fokuseringsteknikker ud over diffraktionsgrænsen i sådanne tilfælde. Arbejdet med effektiv OAM-udveksling mellem lette og elementære excitationer i solid state-systemer vil være grundlæggende for at generere nye solid-state-enheder til OAM-applikationer.

© 2020 Science X Network