[논문 리뷰] Generation and control of extreme ultraviolet free-space optical skyrmions with high harmonic generation

Yiqi Fang, Yunquan Liu|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 10.

Laser-Matter Interactions and ApplicationsPhysics and Astronomy인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 두색상 전체 파울리 비트를 사용한 고조화 발진(HHG)을 통해 극도로 자외선(EUV) 자유공간 광스키르미온을 생성하고 제어하기 위한 이론적 프레임워크를 제안한다. HHG에서 공간적으로 분포된 스핀 제약 조건을 활용함으로써, 구형 기하학적 매개변수를 통해 스카이르미온 수와 위상적 텍스처(예: 블로흐형, 니엘형, 반대형, 고차원형)를 제어할 수 있으며, 이는 EUV 스카이르미온 구조를 고정밀도로 완전히 제어할 수 있게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자유공간에서 위상적 EUV 광스키르미온을 생성하고 제어할 수 있는 방법의 부족을 해결하기 위해.
• 구조화된 EUV 필드를 생성하기 위해 고조화 발진에서의 편광 제어 과제를 극복하기 위해.
• HHG가 극도로 자외선 영역에서 스카이르미온 텍스처를 생성하는 비선형 플랫폼으로 기능할 수 있음을 입증하기 위해.
• 전체 파울리 비트를 사용하여 임의의 EUV 스카이르미온 위상 구조를 기하학적으로 조절 가능한 강력한 제어 체계를 수립하기 위해.
• UHV 스카이르미온이 초고속 스피노트로닉스 및 나노스케일 메트로로지에서의 잠재적 응용 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 800 nm와 400 nm의 서로 다른 파장을 지닌 두색상 전체 파울리 비트—특히 실린더형 비트 벡터 비트(CVVBs)—를 고조화 발진(HHG)의 구동 필드로 사용한다.
• 구동 필드의 공간적 및 편광 구조를 기술하기 위해 기하학적 매개변수 벡터 ηω = (ℓω, ℓ′ω, |u′ω|/|uω|, arg(u′ω) − arg(uω))를 정의한다.
• HHG를 통해 구동 필드를 극도로 자외선(EUV) 스펙트럼 영역으로 올리기 전환하며, 생성된 EUV 필드는 스튜어트 벡터 필드에서 스카이르미온 텍스처를 나타낸다.
• 스튜어트 벡터 분포의 극성과 코어성질을 계산하여 EUV 필드의 위상적 성질을 분석하고 스카이르미온 수 Q를 산정한다.
• 조화 순서와 편광 상태 간의 상호작용을 시각화하고 제어하기 위해 하이브리드 오더 파울리 구면 쌍(HyOPSP)을 도입한다.
• 스카이르미온 수와 텍스처 유형(예: 블로흐형, 니엘형, 반대형)이 모두 구동 필드의 기하학적 매개변수 ηω에 의해 직접 결정됨을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고조화 발진을 통해 극도로 자외선(EUV) 영역의 자유공간 광스키르미온을 생성할 수 있는가?
• RQ2 HHG에서 공간적으로 분포된 스핀 제약 조건은 어떻게 EUV 필드에서 스카이르미온 구조를 형성하는가?
• RQ3 구동 필드의 전체 파울리 비트의 기하학적 매개변수를 통해 EUV 스카이르미온의 위상적 텍스처(예: 블로흐형, 니엘형, 반대형 등)를 어느 정도 제어할 수 있는가?
• RQ4 HHG에 의해 생성된 EUV 필드에서 조화 순서와 스카이르미온 수 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ5 하이브리드 오더 파울리 구면 쌍(HyOPSP)은 EUV 스카이르미온 텍스처의 설계 및 예측을 위한 체계적인 프레임워크를 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 생성된 EUV 필드는 스튜어트 벡터 필드에서 명확한 스카이르미온 텍스처를 나타내며, 스카이르미온 수가 조화 순서와 직접적으로 상관관계가 있다.
• 스튜어트 벡터 분포의 극성과 코어성질에 의해 스카이르미온 수 Q가 결정되며, Q = 1, −1, 3, −3이 다양한 구성에서 입증되었다.
• 블로흐형, 니엘형, 반대형, 그리고 고차원형 스카이르미온(예: Q = 3)은 두색상 전체 파울리 비트의 기하학적 매개변수 ηω를 조절하여 성공적으로 생성되었다.
• 스카이르미온 텍스처는 ηω의 첫 두 매개변수(ℓω, ℳ′ω)에 의해 제어되며, 이는 극성과 코어성질을 조절하는 데 기여하고, 나머지 두 매개변수(세기 비율 및 위상 차이)는 텍스처 유형(예: 니엘형 대비 블로흐형)에 영향을 준다.
• 구동 필드가 ηω 제약 규칙을 충족하지 못할 경우 EUV 필드는 스카이르미온을 형성하지 못하며, 이는 정밀한 매개변수 제어의 必要성을 확인한다.
• 단일 색상 구동 대비 두색상 HHG 체계는 더 많은 자유도를 제공하여 EUV 스카이르미온의 3차원 스튜어트 파라미터 분포를 세밀하게 제어할 수 있다.