[論文レビュー] Topologically controlled multiskyrmions in photonic gradient-index lenses

Yijie Shen, Chao He+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、勾配屈折率（GRIN）レンズを用いてベクトル性の構造光を整形することで、位相的に複雑な準粒子—多次元スカイクレオンおよび多次元メロン—を生成・制御するコンactで統合されたフォトリックプラットフォームを提案する。このシステムにより、プログラム可能な位相的保護されたフォトリック状態が実現され、スカイクレオン数、径方向性、渦度が調整可能であり、実験的検証を伴う高容量の位相的情報符号化へのスケーラブルな道筋を示している。

ABSTRACT

Skyrmions are topologically protected quasiparticles, originally studied in condensed-matter systems and recently in photonics, with great potential in ultra-high-capacity information storage. Despite the recent attention, most optical solutions require complex and expensive systems yet produce limited topologies. Here we demonstrate an extended family of quasiparticles beyond normal skyrmions, which are controlled in confined photonic gradient-index media, extending to higher-order members such as multiskyrmions and multimerons, with increasingly complex topologies. We introduce new topological numbers to describe these complex photonic quasiparticles and propose how this new zoology of particles could be used in future high-capacity information transfer. Our compact creation system lends integrated and programmable solutions of complex particle textures, with potential impacts on both photonic and condensed-matter systems for revolutionizing topological informatics and logic devices.

研究の動機と目的

• フォトリックスカイクレオン系を基本的なスカイクレオンから、多次元スカイクレオンや多次元メロンなどの高次位相的準粒子へと拡張すること。
• GRINレンズと段階的な光学素子を用いて、複雑なフォトリック準粒子を生成するコンパクトで統合的かつプログラム可能なプラットフォームの開発。
• 径方向性 $N_r$、中心性 $N_c$、渦度 $N_v$、極性 $N_p$ という新しい位相的不変量を導入し、複雑なフォトリックテクスチャを分類・定量すること。
• 理論的および実験的に、スケーラブルな光学アーキテクチャ内でのこれらの準粒子の位相的頑健性と制御可能性を実証すること。
• これらの位相的状態を用いた安全で高容量の情報伝送および将来の位相的論理デバイスへの応用可能性を検討すること。

提案手法

• 制御された高速軸配向を持つ段階的なGRINレンズを用いて、ベクトル性の構造光を複雑な偏光テクスチャへと整形する。
• 4f像形成系とムーア行列解析を用いたストークス偏光計測により、強度測定から全ストークスベクトル場 $S_{\text{in}}(x,y) = [1, s_1, s_2, s_3]$ を再構成する。
• 特異点検出アルゴリズム（Wangら、2022年）を用いて、コア領域における横成分特異点 $[s_1, s_2]$ を数え、$N_c$ を決定する。
• スカイクレオン密度 $\rho_s(x,y) = \mathbf{s}(x,y) \cdot (\partial_x \mathbf{s} \times \partial_y \mathbf{s})$ を計算し、コア領域にわたって統合することで $N_s$ を抽出する。
• 入射光の右回り/左回り円偏光（RCP/LCP）を用いて極性 $N_p = \text{sgn}(N_s)$ を制御する一方、$N_r$ は径方向にネストされた構造によって決定される。
• HWP、QWP、GRINレンズのモジュラー段階的構成（例：C1、C2構成）を設計し、特定の位相的数 $(N_r, N_c, N_v)$ を達成する。詳細は表1に示す。

Figure 1: GRIN lens arrays for photonic skyrmion generation. a , Schematic of the GRIN lens and GRIN lens array, with radial and azimuthal distributions of the fast/slow axes. The radius of the cross-section of the lens can be less than 500 microns. b,c , The diversified polarization vectorial light

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトで統合されたフォトリックプラットフォームにおいて、多次元スカイクレオンや多次元メロンなどの高次位相的準粒子を生成できるか。
• RQ2 $N_r$, $N_c$, $N_v$, $N_p$ という新しい位相的不変量は、GRIN媒体内での複雑なフォトリックテクスチャの分類・定量にどのように応用できるか。
• RQ3 これらの位相的状態はどの程度摂動に対して頑健であり、伝搬中に構造を維持できるか。
• RQ4 このシステムは、特定の位相的準粒子を生成するようにプログラム可能に調整可能であり、安全で高容量の情報符号化に応用可能か。
• RQ5 標準的な光学素子を用いて、これらの複雑な位相的状態の生成と検出が実験的に可能でスケーラブルか。

主な発見

• 著者らは、実験的に $N_s = 4$（クアドリスカイクレオン）の多次元スカイクレオンおよび $N_s = 2$（クアドリメロン）の多次元メロンを生成することに成功した。それぞれ4つの基本的スカイクレオンまたはメロンから構成される。
• 位相的保護が確認された：ネール型スカイクレオン（$N_s = 1$）は伝搬中にブロッホ型スカイクレオンに変化するが、反スカイクレオン（$N_s = -1$）に変換されない。これは位相的頑健性を証明する。
• 本システムでは、$N_p = \pm 1$、$N_r = 1$ から $5$、$N_c = 1$ から $4$、$N_v = 2$ または $4$ の4つの位相的数を完全に制御可能であり、多様なフォトリック準粒子の家族を実現した。
• GRINレンズ、HWP、QWPを用いたモジュラー段階的構成（例：C1、C2）により、特定の位相的状態をプログラム可能に生成可能であり、構成例は表1に示す。
• スカイクレオン密度分布 $\rho_s(x,y)$ は $N_r > 1$ の場合、径方向にネストされた構造を示し、生成された準粒子の階層的位相的性質を確認した。
• 本手法により、ストークスベクトル再構成、特異点数え上げ、スカイクレオン数統合の組み合わせを用いて、複雑な位相的テクスチャの検出と定量が可能となった。

Figure 2: Generation and topological transformation of a wide variety of photonic quasiparticles using cascaded GRIN lenses of different configurations (see also Supplementary Information): a , a skyrmion of $N_{r}=1$ and $N_{v}=2$ is transformed into a skyrmion of the same radiality and vorticity b