[论文解读] Observation of magnetic helicoidal dichroism with extreme ultraviolet light vortices

Mauro Fanciulli, Matteo Pancaldi+18 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 54被引用 1

一句话总结

本研究通过实验展示了极端紫外（XUV）光涡旋与磁性涡旋相互作用时的磁性螺旋二色性（MHD），揭示了轨道角动量（OAM）转移导致ℓ + n模式的选择性强度重分布，这是由于OAM态之间的干涉所致。关键结果是首次直接观测到MHD，为通过OAM依赖的散射探测磁性结构提供了新的拓扑对比机制。

ABSTRACT

We report on the experimental evidence of magnetic helicoidal dichroism, observed in the interaction of an extreme ultraviolet vortex beam carrying orbital angular momentum with a magnetic vortex. Numerical simulations based on classical electromagnetic theory show that this dichroism is based on the interference of light modes with different orbital angular momenta, which are populated after the interaction between the light phase chirality and the magnetic topology. This observation gives insight into the interplay between orbital angular momentum and magnetism, and sets the framework for the development of new analytical tools to investigate ultrafast magnetization dynamics.

研究动机与目标

• 通过实验验证XUV光涡旋与磁性涡旋相互作用时磁性螺旋二色性（MHD）的理论预测。
• 证明携带OAM的光束可通过模式干涉选择性探测磁性结构的拓扑手性。
• 基于OAM-磁性耦合建立一种新的光谱学工具，用于研究超快磁化动力学。
• 基于经典电磁理论的数值模拟验证MHD预测，即在与手性磁性结构相互作用后，ℓ + n模式的干涉导致MHD产生。

提出的方法

• 利用FERMI自由电子激光装置在DiProI光束线产生高度相干、空间相干的XUV光脉冲。
• 采用具有拓扑荷ℓ = ±1的螺旋状凹面光栅（SZPs）向FEL光束赋予轨道角动量（OAM）。
• 使用硅基凹面光栅将携带OAM的XUV光束聚焦到坡莫合金（Py）微磁性点阵的磁性涡旋（MV）结构上。
• 通过远场探测散射光强分布，进行共振XUV散射测量。
• 将实验测得的OAM模式分布与基于经典电磁理论的理论预测进行比较，采用ℓ + n分量的模式分解方法。
• 利用微磁学模拟（OOMMF）建模磁性涡旋态，确认导致MHD的拓扑对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 磁性螺旋二色性（MHD）是否可在XUV光涡旋与磁性涡旋相互作用时被实验观测到？
• RQ2 OAM模式（ℓ + n）之间的干涉在与手性磁性结构相互作用后，如何在散射光强分布中体现？
• RQ3 MHD是否对磁性涡旋的拓扑手性敏感，且在均匀磁化状态下是否消失？
• RQ4 携带OAM的XUV光束能否提供与传统磁性圆二色性（MCD）不同的拓扑对比？

主要发现

• 首次通过入射XUV涡旋光束（ℓ = +1和−1）在坡莫合金磁性涡旋上的实验观测到磁性螺旋二色性（MHD）。
• 散射光强显示出向ℓ + n模式的显著重分布，其中n = ±1占主导，证实了OAM态之间干涉的理论预测。
• MHD信号相对于入射光束手性和磁性涡旋手性表现出非对称性，证实其非自相似性及对拓扑的敏感性。
• 在远场光强分布中，入射光束相反手性和磁性涡旋相反手性之间的观测强度对比最高达15%。
• 基于经典电磁理论的数值模拟成功再现了实验中的模式分布，验证了ℓ + n模式干涉在MHD中的作用。
• 结果表明，MHD在XUV光谱学中提供了一种新的拓扑对比形式，对磁性织构的整体手性敏感，而非仅对局域自旋极化敏感。