Skyrmions são uma classe de quasipartículas topológicas com texturas de spin sofisticadas, originadas da física de partículas e do estado sólido com vários atributos intrigantes como portadores de informação emergentes no armazenamento native de dados (1). Recentemente, sua contraparte fotônica, os skyrmions ópticos, são uma nova família de luz topologicamente estruturada que promete a revolução das tecnologias de informação óptica de próxima geração (2).
No entanto, os métodos de geração atual de skyrmions ópticos requerem sistemas complexos ou volumosos de modulação espacial de luz, dificultando o surgimento de outras aplicações práticas. Apesar de algumas literaturas anteriores utilizarem campos evanescentes (3) ou magnéticos (4) para construir skyrmions ópticos, essas abordagens são limitadas a campos ópticos próximos, tornando os skyrmions gerados difíceis de detectar e extremamente desafiadores para se propagarem por longas distâncias. Na óptica do espaço livre, acreditava-se anteriormente que os skyrmions ópticos não eram viáveis para obter feixes em escalas de comprimento de onda sem o uso de moduladores de luz espacial em grande escala.
Aqui, apresentamos um meta-dispositivo flexível integrado como geradores ópticos de skyrmions capazes de gerar skyrmions ópticos com texturas topológicas quase arbitrárias e características únicas de polarização de subcomprimento de onda. Inspirado na tecnologia “lab-on-fiber” (5, 6) para fornecer uma solução flexível e prática para produzir campo de luz estruturado com propriedades topológicas sofisticadas. Ao projetar metaestruturas em pontas de fibra, a não separabilidade da polarização espacial dos feixes vetoriais personalizados em polarizações ortogonais ocorre no campo próximo da faceta da fibra, excitando assim os skyrmions ópticos com topologias controladas pelo designer.
Figura 1. Diagrama esquemático da excitação dos skyrmions a partir da metafibra. A intensidade 3D (I) e a distribuição vetorial do skyrmion de excitação são mostradas após a saída da metafibra. Sz: componente z do vetor Stokes, PSF: fibra monomodo que mantém a polarização, λ: comprimento de onda da luz. Inserção: (a) O princípio de construção do skyrmion, composto por Bessel Bessel de ordem zero e Bessel Beam de primeira ordem sob polarização round esquerda ortogonal (LCP) e polarização round direita (RCP). (bd) As propriedades do skyrmion excitado. (b) A distribuição de polarização elíptica com intensidade de campo elétrico abaixo. (c) Distribuição de polarização de Stokes de cor matiz. (d) Unidade de cor Matiz-luminosidade (HL) Esfera de Stokes Poincaré.
O diagrama esquemático dos geradores skyrmion baseados em metafibra é ilustrado em Figura 1consistindo em uma fibra monomodo (PSF) que mantém a polarização, uma seção de expansão e uma metassuperfície de camada única na ponta da fibra. Como o skyrmion óptico é um estado de luz de quasipartículas com texturas vetoriais topológicas distintas, ele pode ser construído por polarização de vetores Stokes de feixes vetoriais personalizados. Aqui, sobrepondo dois feixes de Bessel (BBs) criteriosamente modulados ortogonalmente polarizados: BB de ordem zero (J0) e BB de primeira ordem (J1) transportando momento angular orbital (OAM), em polarizações circulares para destros e canhotos, respectivamente, um Stokes skyrmion é construído (Fig. 1a e Fig. 1 inserções).
Ao alterar o design da metassuperfície apoiada na ponta da fibra, vários tipos de skyrmions ópticos com diferentes texturas topológicas podem ser gerados, como Néel-, Bloch- e Anti-types and so on. o artigo authentic para obter detalhes). Os resultados da verificação experimental são resumidos como Figura 2 abaixo. Notavelmente, os skyrmions gerados experimentalmente pelo nosso esquema atingem um número de skyrmion de até 0,97, revelando um mapa de skyrmion quase completo na esfera de Poincaré mostrando excelente qualidade. Um recurso de polarização de comprimento de onda em nossos skyrmions Stokes gerados é verificado numericamente e experimentalmente como sendo de ~λ/5, onde λ representa o comprimento de onda da luz, fornecendo um paradigma para uma solução facilmente detectável para skyrmions ópticos de propagação em espaço livre com diversos recursos de polarização topológica.
Figura 2. Resultados experimentais. (a) A imagem física de todo o dispositivo (superior). O SEM de toda a metassuperfície (inferior) e a vista superior da metassuperfície native (inserção). (b) Os perfis complexos de amplitude da simulação (superior) e resultados experimentais (inferior). (c) As distribuições de polarização de Stokes de skyrmion (esquerda) e bimeron (direita) da simulação (superior) e experimento (inferior), respectivamente. O mapa de cores está no meio. (d) A densidade do skyrmion e a distribuição de polarização do estado do skyrmion em experimentos. Nsk: números skyrmion. (e) O parâmetro de Stokes normalizado e seu valor absoluto versus x dos estados skyrmion (esquerda) e bimeron (direita), inserido com as distribuições vetoriais dos resultados do experimento.
Em conclusão, demonstramos os geradores ultracompactos e flexíveis de skyrmions ópticos de Stokes usando metafibras, com várias texturas topológicas de designer disponíveis, recursos de polarização de subcomprimentos de onda e resiliência robusta de difração de propagação. A exploração adicional da plataforma proposta pode ser estendida para spin skyrmions e geradores de skyrmions reconfiguráveis de metasuperfície / metafotônicos de mudança de fase ou alimentados por materiais 2D (7, 8). O estudo de topologias diversificadas de campos de luz eletromagnéticos em dispositivos ultracompactos para geração de quase-partículas ópticas arbitrárias com proteção de topologia, bem como outros campos de luz estruturados de designer, abrindo caminho para aplicações práticas de skyrmions ópticos.
Informações do artigo
Tiantian He†, Yuan Meng†, et al. Skyrmions ópticos de metafibras com características de subcomprimento de onda. Comunicações da Natureza 1510141 (2024).
DOI: 10.1038/s41467-024-54207-z
Hyperlink do artigo: https://www.nature.com/articles/s41467-024-54207-z
