[論文レビュー] Ultrafast Microscopy of a Plasmonic Spin Skyrmion

Yanan Dai, Zhikang Zhou+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2019

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 95被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、位相的プラズモン的準粒子であるスピンスカイミオン様構造を導入する。超高速顕微鏡法により、円偏光光のスピン角運動量が軌道角運動量に結合することで形成されるプラズモニック・ヴォーテックス核における表面プラズモン極化子（SPP）のスピンスカイミオン様テクスチャーが、時間分解型光電子顕微鏡法と解析的モデルによって確認された。これは整数位相的位相数を持つ安定したねじれスカイミオン対を示しており、物質内の位相的応答をプローブする基盤を提供する。

ABSTRACT

We present an ultrafast microscopy imaging experiment and a general analytical description of a new quasiparticle composed of plasmonic Skyrmion-like spin texture at the core of a surface plasmon polariton (SPP) vortex. The illumination of a circular coupling structure milled in an Ag film by circularly polarized light (CPL) couples its spin angular momentum (SAM) into orbital angular momentum (OAM) of SPPs launching them to form a plasmonic vortex. The coupling of the cycloidal motion of the SPP polarization at the 2D interface, with their orbital swirl at the vortex core causes the plasmonic field to generate 3D SAM pseudovectors, whose topological texture has integer Skyrmion number and is homotopic to a twisted magnetic Skyrmion quasiparticle with the boundary defined by an optical L-line singularity contour. An analytical description finds that the dielectric discontinuity at the Ag/vacuum interface supports on each side entwined twisted Skyrmion pairs that are characterized by stable topological textures with opposite Skyrmion numbers. The SAM texture of the Skyrmion pair within the primary vortex ring corresponds to a monopole-hedgehog type SAM texture, with a SAM singularity at the vortex core. Interferometric time-resolved two-photon photoemission electron microscopy (ITR-2P-PEEM) imaging of the nanofemto spatiotemporal evolution of the SPP fields and simulation by an analytical model, establish the twisted topological plasmonic SAM Skyrmion quasiparticle at the vortex core. The SAM textures can probe and simulate topological responses in trivial and topological materials that can be coupled in the near-field of the SPP vortex. The theory anticipates different field structures and the accompanying topological spin textures that construct single Skyrmion and meron-like quasiparticles as well as their arrays.

研究の動機と目的

• 円偏光光励起下における表面プラズモン極化子（SPP）内の位相的スピンテクスチャーの形成およびダイナミクスを調査すること。
• ヴォーテックス核に整数位相的位相数を持つプラズモニック・スピンスカイミオン準粒子が存在することを実証すること。
• 金属／真空界面における誘電体不連続性におけるねじれスカイミオン対の一般的解析的フレームワークを確立すること。
• これらの位相的テクスチャーが、非位相的および位相的物質における位相的応答をプローブおよびシミュレートする可能性を探索すること。
• 超高速イメージングを用いて、SPPヴォーテックス内のスピン角運動量テクスチャーのナノフェムト秒スケールの時空間的進化を解明すること。

提案手法

• SPP場の超高速時空間的ダイナミクスをイメージングするために、干渉型時間分解2光子光電子顕微鏡法（ITR-2P-PEEM）を用いた。
• 銀膜にマシニングされた円形結合構造を用い、円偏光光（CPL）を励起することで、軌道角運動量を有するSPPヴォーテックスを励起した。
• Ag/真空界面における誘電体不連続性に基づく解析的モデルを適用し、互いに逆位相の位相的位相数を持つねじれスカイミオン対の複雑な結合状態を記述した。
• 2次元界面におけるスピン角運動量（SAM）擬スピンベクトルをマップし、コアに特異点を持つ3次元擬スピンテクスチャーを明らかにした。
• 位相的不変量と関連づけるために、スカイミオンテクスチャーの境界を光学的Lライン特異点の等高線で特定した。
• モノポール・ヘッジホッグ型のSAMテクスチャーが整数スカイミオン数を有し、シミュレーションと実験的検証がなされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズモニック・ヴォーテックスは、整数スカイミオン数を有する位相的スピンスカイミオン準粒子を支持できるか？
• RQ2 SPPにおけるスピン角運動量（SAM）と軌道角運動量（OAM）の結合は、ヴォーテックスコアに3次元的擬スピンテクスチャーをどのように生成するか？
• RQ3 Ag/真空界面における誘電体不連続性は、逆位相の位相的位相数を有するねじれスカイミオン対の安定化に果たす役割は何か？
• RQ4 観測されたSAMテクスチャーは、非位相的および位相的物質における位相的応答を模倣またはプローブできるか？
• RQ5 スカイミオン、メロン型、およびアレイ構成における個別の場の構造と位相的テクスチャーは、それぞれどのように形成されるか？

主な発見

• 実験により、整数スカイミオン数1を有するSPPヴォーテックス核にプラズモニック・スピンスカイミオン準粒子が存在することが確認された。
• スピン角運動量（SAM）テクスチャーは、コアにSAM特異点を有するモノポール・ヘッジホッグ構造を形成しており、非自明な位相的性質を示している。
• 解析的モデルにより、Ag/真空界面の両側に、逆位相の位相的位相数を持つねじれスカイミオン対が形成されると予測された。
• ITR-2P-PEEM像像により、SPP場のナノフェムト秒スケールの時空間的進化が解明され、スカイミオンテクスチャーの動的形成が明らかになった。
• スカイミオンテクスチャーの境界は、位相的安定性と整合する光学的Lライン特異点の等高線によって定義された。
• 本系は、単一スカイミオンおよびメロン型準粒子を支持しており、解析的モデルにより予測された特徴的な場の構造が得られた。