[논문 리뷰] Ultrafast Microscopy of a Plasmonic Spin Skyrmion

Yanan Dai, Zhikang Zhou외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 09.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 95인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 위상적 플라스모닉 쿼라스파티클을 도입한다—초고속 현미경은 원형 편광 빛의 스핀 운동량을 궤도 운동량으로 결합시켜 형성된 플라스모닉 비틀림의 핵심에서 표면 플라스모닉 폴리톤(SPPs) 내 스핀 스카이미언 유사 구조를 드러낸다. 실험은 정수 위상수를 가진 안정적인 비틀린 스카이미언 쌍을 확인하였으며, 시간 해상도가 높은 광전자 현미경 및 분석 모델링을 통해 검증되었으며, 이는 재료 내 위상적 반응을 탐색하는 데 기여한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 원형 편광 빛에 의한 자극 조건에서 표면 플라스모닉 폴리톤(SPPs) 내 위상적 스핀 텍스처의 형성 및 동역학을 조사하기 위해.
• 비틀림 핵심에서 정수 위상수를 가진 플라스모닉 스핀 스카이미언 쿼라스파티클의 존재를 입증하기 위해.
• 금속-진공 인터페이스에서 유전체 불연속성에서 발생하는 비틀린 스카이미언 쌍의 일반적인 분석 프레임워크를 수립하기 위해.
• 이러한 위상적 텍스처가 일반 재료 및 위상 재료 내 위상 반응을 탐색하거나 시뮬레이션하는 데의 잠재력을 탐색하기 위해.
• 초고속 영상 기반으로 SPP 비틀림 내 스핀 운동량 텍스처의 나노펨토초 스파atiotemporal 진화를 해명하기 위해.

제안 방법

• SPP 필드의 초고속 스파티오텀포럴 역학을 영상화하기 위해 간섭계적 시간 해상도 이중 광전자 현미경(Interferometric Time-Resolved Two-Photon Photoemission Electron Microscopy, ITR-2P-PEEM)을 사용하였다.
• 은막에 밀링된 원형 결합 구조를 이용해 원형 편광 빛(Circularly Polarized Light, CPL)을 조사하여 궤도 운동량을 지닌 SPP 비틀림을 유도하였다.
• Ag/진공 인터페이스에서의 유전체 불연속성을 기반으로 한 분석 모델을 적용하여, 서로 반대 위상수를 가진 비틀린 스카이미언 쌍의 얽힌 구조를 기술하였다.
• 2차원 인터페이스에서 스핀 운동량(Spin Angular Momentum, SAM) 허위벡터를 매핑하여 핵심 특이점이 있는 3차원 허위스핀 텍스처를 드러내었다.
• 위상수 불변량과 연결된 광학적 L-선 특이점 등고선을 통해 스카이미언 텍스처의 경계를 규명하였다.
• 모노폴-헤지혹 유형의 SAM 텍스처가 정수 스카이미언 수를 가진 채로 시뮬레이션하고 실험적으로 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플라스모닉 비틀림은 정수 스카이미언 수를 가진 위상적 스핀 스카이미언 쿼라스파티클을 지닌다.
• RQ2 SPP 내에서 스핀 운동량(SAM)과 궤도 운동량(OAM)의 결합은 비틀림 핵심에서 3차원 허위스핀 텍스처를 어떻게 생성하는가?
• RQ3 Ag/진공 인터페이스에서의 유전체 불연속성은 반대 위상수를 가진 비틀린 스카이미언 쌍을 안정화시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 관측된 SAM 텍스처는 일반 재료 및 위상 재료 내 위상 반응을 시뮬레이션하거나 탐색하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ5 단일 스카이미언, 머론 유사 및 배열된 구성에서 형성되는 고유한 필드 구조와 위상적 텍스처는 무엇인가?

주요 결과

• 실험은 SPP 비틀림 핵심에서 정수 스카이미언 수 1을 가진 플라스모닉 스핀 스카이미언 쿼라스파티클의 존재를 확인하였다.
• 스핀 운동량(SAM) 텍스처는 SAM 특이점이 비틀림 핵심에 존재하는 모노폴-헤지혹 구성으로 형성되었으며, 비자명한 위상학적 성질을 나타낸다.
• 분석 모델은 Ag/진공 인터페이스 양측에서 서로 반대 위상수를 가진 얽힌 비틀린 스카이미언 쌍의 형성을 예측한다.
• ITR-2P-PEEM 영상은 SPP 필드의 나노펨토초 스파티오텀포럴 진화를 해결하였으며, 스카이미언 텍스처의 동적 형성을 드러내었다.
• 스카이미언 텍스처의 경계는 위상학적 안정성과 일치하는 광학적 L-선 특이점 등고선으로 정의된다.
• 이 시스템은 단일 스카이미언 및 머론 유사 쿼라스파티클을 모두 지닐 수 있으며, 분석 모델은 각각의 고유한 필드 구조를 예측한다.