[論文レビュー] Generation and control of extreme ultraviolet free-space optical skyrmions with high harmonic generation

Yiqi Fang, Yunquan Liu|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2023

Laser-Matter Interactions and ApplicationsPhysics and Astronomy被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、二色のフル・ポアンカレビームを用いた高調波生成（HHG）を用いて、極端に短い波長の紫外（EUV）自由空間光学スカイミオンを生成・制御する理論的枠組みを提案する。HHGにおける空間的スピン制約を活用することで、駆動ビームの幾何学的パラメータを介してスカイミオン数およびトポロジカルなテクスチャ（例：ブロッホ型、ネール型、アンチ型、高次型）を制御可能となり、EUVスカイミオン構造を高精度で完全に制御可能となる。

ABSTRACT

Optical skyrmion serves as a crucial interface between optics and topology. Recently, it has attracted great interest in linear optics. Here, we theoretically introduce a framework for the all-optical generation and control of freespace optical skyrmions in extreme ultraviolet regions via high harmonic generation. We show that by employing full Poincare beams, the created extreme ultraviolet fields manifest as skyrmionic structures in Stokes vector fields, whose skyrmion number is relevant to harmonic orders. We reveal that the generation of skyrmionics structure is attributed to spatial-resolved spin constraint of high harmonic generation. Through qualifying the geometrical parameters of full Poincaré beams, the topological texture of extreme ultraviolet fields can be completely manipulated, generating the Bloch-type, Neel-type, anti-type, and higher-order skyrmions, etc. This work promotes the investigation of topological optics in optical highly nonlinear processes, with potential applications towards ultrafast spintronics with structured light fields.

研究の動機と目的

• 自由空間におけるトポロジカルなEUV光スカイミオンの生成・制御手法の不足に対処すること。
• 構造化されたEUV場を生成するための高調波生成における偏光制御の課題を克服すること。
• HHGが極端に短い波長領域におけるスカイミオン的テクスチャを生成する非線形プラットフォームとして機能できることを示すこと。
• フル・ポアンカレビームを用いて、任意のEUVスカイミオン的トポロジの強固で幾何学的チューナブルな制御スキームを確立すること。
• EUVスカイミオンの超高速スピントロニクスおよびナノスケールメトロロジー分野における可能性を調査すること。

提案手法

• 二色のフル・ポアンカレビーム（特にシリンダービルト・ベクトル・ビーム：CVVBs）を用い、800 nm および 400 nm の異なる波長を持つ駆動場として高調波生成（HHG）を実行する。
• 駆動ビームの空間的および偏光構造を特徴付けるために、幾何学的パラメーターベクトル ηω = (ℓω, ℓ′ω, |u′ω|/|uω|, arg(u′ω) − arg(uω)) を定義する。
• HHGを用いて駆動場を極端に短い波長の紫外（EUV）領域に変換し、生成されたEUV場がスティルスベクトル場においてスカイミオン的テクスチャを示すことを確認する。
• スティルスベクトル分布の極性および渦度からスカイミオン数 Q を計算することで、EUV場のトポロジカル特性を解析する。
• ハーモニックオーダーと偏光状態の相互作用を可視化・制御するために、ハイブリッド・オーダー・ポアンカレ球対（HyOPSP）を導入する。
• スカイミオン数およびテクスチャタイプ（例：ブロッホ型、ネール型、アンチ型）が、駆動ビームの幾何学的パラメータ ηω に直接依存することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高調波生成を用いて、極端に短い波長の紫外（EUV）領域における自由空間光学スカイミオンを生成できるか？
• RQ2 HHGにおける空間的スピン制約は、EUV場にスカイミオン的構造をどのように形成するか？
• RQ3 駆動用フル・ポアンカレビームの幾何学的パラメータを用いて、EUVスカイミオンのトポロジカルなテクスチャ（例：ブロッホ型、ネール型、アンチ型）をどの程度制御できるか？
• RQ4 HHGによって生成されたEUV場において、ハーモニックオーダーとスカイミオン数の関係は何か？
• RQ5 ハイブリッド・オーダー・ポアンカレ球対（HyOPSP）は、EUVスカイミオン的テクスチャの設計および予測のための体系的フレームワークを提供できるか？

主な発見

• 生成されたEUV場は、スティルスベクトル場において明確なスカイミオン的構造を示し、スカイミオン数がハーモニックオーダーと直接相関している。
• スカイミオン数 Q は、スティルスベクトル分布の極性および渦度によって決定され、Q = 1, −1, 3, −3 が異なる設定で実証された。
• 二色のフル・ポアンカレビームの幾何学的パラメータ ηω をチューニングすることで、ブロッホ型、ネール型、アンチ型、および高次型スカイミオン（例：Q = 3）が成功裏に生成された。
• スカイミオンテクスチャは、ηω の最初の2つのパラメータ（ℓω, ℓ′ω）によって制御され、これらは極性および渦度を支配する。残りの2つのパラメータ（振幅比および位相差）は、テクスチャタイプ（例：ネール型対ブロッホ型）に影響を与える。
• 駆動ビームが ηω の制限ルールを満たさない場合、EUV場はスカイミオンを形成しなかった。これは、正確なパラメータ制御の必要性を確認するものである。
• 単一色駆動に比べ、二色HHG方式はより多くの自由度を提供し、EUVスカイミオンの3次元的スティルスパラメータ分布に対する微細制御が可能となった。