[論文レビュー] Phyllotaxis-inspired Nanosieves with Multiplexed Orbital Angular Momentum

Zhongwei Jin, David Janoschka+16 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2021

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 52被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、マツボシやヒマワリに見られる自然のらせん模様を模倣したナノスieveを提案し、1つのコンactなデバイスで複数の光的渦を同時に生成する。この設計により、自由空間およびオンチッププラズモニック系において多重化された軌道的角運動量が実現され、超高速イメージングにより複数の渦の動的干渉が確認され、従来のセグメンテッドメタサーフェスに比べてデバイスのコンactさとチャネル容量が顕著に向上する。

ABSTRACT

Nanophotonic platforms such as metasurfaces, achieving arbitrary phase profiles within ultrathin thickness, emerge as miniaturized, ultracompact and kaleidoscopic optical vortex generators. However, it is often required to segment or interleave independent subarray metasurfaces to multiplex optical vortices in a single nano device, which in turn affects the compactness and channel capacity of the device. Here, inspired by phyllotaxis patterns in pine cones and sunflowers, we theoretically prove and experimentally report that multiple optical vortices can be produced in a single compact phyllotaxis nanosieve, both in free space and on a chip, where one metaatom may contribute to many vortices simultaneously. The time resolved dynamics of on chip interference wavefronts between multiple plasmonic vortices was revealed by ultrafast time-resolved photoemission electron microscopy. Our nature inspired optical vortex generator would facilitate various vortex related optical applications, including structured wavefront shaping, free space and plasmonic vortices, and high capacity information metaphotonics.

研究の動機と目的

• セグメンテッドまたはインタリーブドメタサーフェスが複数の光的渦を生成する際の制限を克服すること。
• 自然のフィロタキスパターンを用いて、1つの連続的なメタ構造で複数の光的渦を同時に生成できる、コンactなナノスieveを開発すること。
• 自由空間およびオンチップ応用の両方において、高容量で超薄型の光的渦生成を実現すること。
• 超高速写真発射電子顕微鏡（TR-PEEM）を用いて、複数のプラズモニック渦の時間分解ダイナミクスを実験的に実証・特徴づけること。
• ナノフォトニクスにおける多重化された軌道的角運動量のための自然界にインspiredされた設計パラダイムを確立すること。

提案手法

• ナノスieveは、マツボシやヒマワリに観察されるフィボナッチらせん配置に基づいて設計され、メタ原子を非一様かつ回転対称的に配置する。
• メタ構造の位相プロファイルを設計し、1つの連続的なメタ構造を用いて、異なる位相的電荷を持つ複数の光的渦を同時に生成する。
• 電子ビームリソグラフィーを用いて誘電体基板上に金属層を形成し、プラズモニック励起を実現するデバイスをプロセスで作製する。
• 超高速時間分解写真発射電子顕微鏡（TR-PEEM）を用いて、チップ上での複数のプラズモニック渦の動的干渉を捉える。
• 理論的モデリングにより、各メタ原子が複数の渦に寄与することを確認し、セグメンテーションなしに多重化が可能であることを裏付ける。
• 自由空間およびオンチップ構成の両方でテストを行い、多重化渦生成および干渉ダイナミクスの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィロタキスを模倣したナノスieveは、セグメンテーションのない1つの構造で複数の光的渦を同時に生成できるか？
• RQ2 メタ原子のらせん配置が、コンパクトなデバイスで軌道的角運動量の多重化をどのように可能にするか？
• RQ3 チップ上での複数のプラズモニック渦間の干渉の時間分解挙動はいかなるものか？
• RQ4 同じ設計原理が自由空間およびオンチップの光的渦生成に応用可能か？
• RQ5 従来のセグメンテッドメタサーフェスと比較して、自然のフィロタキスパターンがチャネル容量およびコンパクトネスをどの程度向上させるか？

主な発見

• フィロタキスナノスieveは、セグメンテーションの必要のない1つの連続的なメタ構造で、複数の光的渦を同時に効果的に生成した。
• 各メタ原子が複数の渦に寄与することで、高い多重化効率と拡大されたチャネル容量が実現された。
• 超高速TR-PEEMイメージングにより、100 fs未満の時間分解能で複数のプラズモニック渦の動的干渉パターンが観測された。
• デバイスは自由空間およびオンチップ両構成で安定した多重化渦生成を示し、設計の汎用性を確認した。
• 理論的解析により、フィボナッチらせんパターンが同時に渦を生成するための最適な位相分布を実現できることを確認した。
• 従来のセグメンテッドメタサーフェスに比べ、コンパクトネスおよび多重化能力の顕著な向上が達成された。