Virvelstrålen med orbital angular momentum (OAM) är ett nytt och idealiskt verktyg för att selektivt excitera dipolförbjudna tillstånd genom linjär optisk absorption. Framväxten av virvelstrålen med OAM ger spännande möjligheter att inducera optiska övergångar bortom ramen för elektriska dipolinteraktioner. Den unika egenskapen uppstod från överföringen av OAM från ljus till material som demonstrerats med elektroniska övergångar i atomsystem.

I en ny rapport om Vetenskapliga framsteg , T. Arikawa och ett team av forskare inom fysik, elektroteknik och cellmaterialvetenskap i Japan och Kanada, detaljerad OAM-överföring till elektroner i halvledarsystem. De använde metamaterial för att visa hur multipolära lägen för ytelektromagnetiska excitationer, även känd som "spoof" lokaliserade ytplasmoner, kan selektivt induceras genom terahertz-virvelstrålen. Spoofyteplasmoner är en typ av ytplasmonpolariton (SPP) som vanligtvis sprider sig över dielektriska och metalliska gränssnitt vid infraröda och synliga frekvenser. Dock, eftersom sådana polaritoner inte kan förekomma naturligt i terahertz- eller mikrovågsfrekvenser, spoofyteplasmoner kräver artificiella metamaterial för förökning i sådana frekvenser.

Urvalsreglerna för studien styrdes av bevarandet av totalt vinkelmoment, vilket Arikawa et al. bekräftas med numeriska simuleringar. Den effektiva överföringen av ljus omloppsrörelsemängd till elementära excitationer vid rumstemperatur i solid state-system kan utöka potentialen för experimentell OAM-manipulation för att konstruera OAM-baserade applikationer, inklusive kvantminnen och OAM-baserade sensorer.

Ljus-materia-interaktioner styrs av rumsliga-tidsmässiga strukturer i ett ljusfält och via materialvågfunktioner. Forskare har använt ickelinjära optiska metoder som tvåfotonabsorption för att selektivt excitera ett specifikt mörkt läge, i närvaro av starka ljuskällor. OAM (orbital angular momentum) tillhandahåller en ny metod för att selektivt excitera dipolförbjudna tillstånd genom linjär optisk absorption, samtidigt som man härleder olika urvalsregler. Forskare kan utforska sådan selektivitet, i förhållande till OAM-överföring från ljus till ett material, även om sådana övergångar är mycket små att spela in. I det här arbetet, Arikawa et al. undersökte elektroner i fasta ämnen med utökade vågfunktioner som en idealisk plattform för att studera virvelljus-materia-interaktioner.

Nyligen genomförda studier inom elektromagnetisk fältanalys hade förutspått effektiv OAM-överföring från virvelstrålar till lokaliserade ytplasmoner (LSP) i en metallisk skiva. Under simuleringar, multipolära lägen med stor rörelsemängd, dvs fyrpol, hexapol, etc., kan exciteras selektivt som ett resultat av OAM-överföring.

I det här arbetet, teamet visade experimentellt selektiv excitation med spoof LSP (en lågfrekvent analog till LSP) som kan existera runt ytan på en periodiskt strukturerad metallisk skiva. De byggde metamaterialstrukturen för att få ner resonansfrekvenserna till terahertz (THZ) frekvensområdet för oförstörande bildbehandling. Den experimentella uppställningen gjorde det möjligt för forskarna att visualisera de karakteristiska mönstren som omger den korrugerade skivan och identifiera falska LSP-lägen som exciterade i provet. För att visualisera närfältsmönster på grund av LSP:er, Arikawa et al. konstruerade korrugerade guldskivor på ovansidan av en terahertz (THZ) detektorkristall, att ta prov på det elektriska fältet som bildades några mikrometer bort från den metalliska strukturen. De utförde experimenten vid rumstemperatur och erhöll fem ögonblicksbilder av det elektriska THZ-fältet runt provet efter excitation av en linjärt polariserad Gaussstråle.

Tidslöst närfältsavbildning och lägesexpansionsanalys .

Efter att den infallande terahertz-pulsen passerat genom provet, teamet observerade en elektrisk fältoscillation lokaliserad runt den yttre cirkeln av provet som en resonansexcitation av spoof LSP, representerar det förväntade elektriska fältmönstret. Arbetet bekräftade exciteringen av dipolläget av den Gaussiska strålen och att flera parodierade LSP:er kunde exciteras av virvelstrålar. För att illustrera denna punkt, Arikawa et al. utförde ytterligare analyser genom att fokusera på det elektriska fältet längs den yttre cirkeln av provet för att representera frekvensspektrumet för varje LSP-mod. Resultaten visade effektiv och selektiv excitation av multipolära lägen baserat på ljusets OAM, vilket gör det möjligt för forskarna att identifiera alla falska LSP-lägen som är exciterade i provet.

Analysen avslöjade dessutom resonansfrekvensen för varje läge, tillåta dem att rita dispersionsförhållandet, dvs. förhållandet mellan den optiska frekvensen och utbredningskonstanterna för ytplasmonpolaritonlägen. Spridningsförhållandet för de falska LSP:erna berodde på de geometriska parametrarna för de metalliska strukturerna, ger forskarna ett kraftfullt verktyg för att kontrollera resonansfrekvenserna. Teamet utförde ytterligare experiment och analyser på prover med olika dimensioner av korrugering för att visa resonansfrekvenskontroll. Resultaten gjorde det möjligt för dem att härleda urvalsreglerna i systemet för att excitera flera falska LSP:er. Observationerna stödde starkt att urvalsreglerna styrdes av bevarandet av total vinkelmoment (TAM), vilket teamet sedan numeriskt bekräftade för falska LSP:er med liknande elektromagnetiska fältanalyser.

På det här sättet, T. Arikawa och kollegor observerade resande ytvågor med låg elektronspridning för att möjliggöra koherent kollektiv rörelse av elektroner över hela provet. Frekvensavstämningsmöjligheten hos den korrugerade metalliska skivgeometrin gjorde det möjligt för den att vara en mycket mångsidig OAM-mottagare med breda frekvenser så länge spridningen i experimentuppställningen var tillräckligt låg. Teamet förväntar sig att OAM ska övergå till andra elementära excitationer i fasta ämnen inklusive Rydberg -excitoner, skyrmioner och fononer, även om de kommer att behöva fokuseringstekniker bortom diffraktionsgränsen i sådana fall. Arbetet med effektivt OAM-utbyte mellan ljus och elementära excitationer i solid-state-system kommer att vara grundläggande för att generera nya solid-state-enheter för OAM-applikationer.

© 2020 Science X Network