[论文解读] The hidden spin-momentum locking and topological defects in unpolarized light fields

Peng Shi, Min Lin+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2023

Magnetic properties of thin filmsPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文揭示了非极化光场中隐藏的自旋-动量锁定及拓扑缺陷，表明相干自旋通过横向电场与磁场分量与动量锁定。通过使用金属薄膜偏振器抑制耦合项，作者实验观测到聚焦非极化涡旋光中的自旋纹理类斯kyrmion结构，该结果通过自研扫描光学显微镜验证，为数据存储与安全通信提供了稳健的光学结构。

ABSTRACT

Electromagnetic waves characterized by intensity, phase, and polarization degrees of freedom are widely applied in data storage, encryption, and communications. However, these properties can be substantially affected by phase disorders and disturbances, whereas high-dimensional degrees of freedom including momentum and angular momentum of electromagnetic waves can offer new insights into their features and phenomena, for example topological characteristics and structures that are robust to these disturbances. Here, we discover and demonstrate theoretically and experimentally spin-momentum locking and topological defects in unpolarized light. The coherent spin is locked to the kinetic momentum except for a small coupling spin term, due to the simultaneous presence of transverse magnetic and electric components in unpolarized light. To cancel the coupling term, we employ a metal film acting as a polarizer to form some skyrmion-like spin textures at the metal/air interface. Using an in-house scanning optical microscopic system to image the out-of-plane spin density of the focused unpolarized vortex light, we obtained experimental results that coincide well with our theoretical predictions. The theory and technique promote the applications of topological defects in optical data storage, encryption, and decryption, and communications.

研究动机与目标

• 研究在传统上仅在极化或结构化光束中观测到的自旋-动量锁定现象是否存在于非极化光场中。
• 通过利用动量与角动量等高维自由度，解决光学系统中相位紊乱与干扰对偏振与相位的影响问题。
• 展示利用金属薄膜作为偏振界面，在非极化光中形成类skyrmion的拓扑自旋纹理。
• 通过自研扫描光学显微镜测量出平面外自旋密度，实验验证理论预测。
• 利用非极化光中拓扑保护的自旋结构，推动光学数据存储、加密与安全通信的新应用。

提出的方法

• 对非极化光场进行理论建模，识别由横向电场与磁场分量共同作用产生的自旋-动量锁定效应。
• 引入金属薄膜作为偏振器，抵消微弱的耦合自旋项，从而在金属/空气界面实现稳定类skyrmion自旋纹理的形成。
• 设计聚焦的非极化涡旋光束，以生成具有拓扑特征的空间结构化自旋密度。
• 构建自研扫描光学显微系统，直接成像焦点平面内自旋密度的出平面分量。
• 将实验结果与理论预测进行对比，确认拓扑缺陷与自旋-动量锁定的存在。
• 采用角谱法与矢量场分解技术，分析非极化场中自旋与动量自由度的特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏净极化的情况下，非极化光场中是否仍能出现自旋-动量锁定？
• RQ2 非极化光中的横向电场与磁场分量如何共同促成隐藏的自旋-动量锁定？
• RQ3 金属薄膜在抑制耦合自旋项并促进拓扑自旋纹理形成中发挥何种作用？
• RQ4 能否通过扫描光学显微镜在非极化涡旋光中实验观测到类skyrmion自旋纹理？
• RQ5 这些拓扑结构在光学系统中面对相位紊乱与干扰时，其鲁棒性达到何种程度？

主要发现

• 由于横向电场与磁场分量的共存，即使在无净极化条件下，非极化光中仍可观测到自旋-动量锁定。
• 金属薄膜能有效抑制耦合自旋项，从而在金属/空气界面实现稳定类skyrmion自旋纹理的形成。
• 通过自研扫描光学显微系统测量的实验结果与理论预测在出平面自旋密度上高度一致。
• 所观测到的拓扑缺陷对相位紊乱具有强鲁棒性，凸显其在抗干扰光学信息系统中的应用潜力。
• 该系统证实了在非极化光中生成与探测拓扑自旋结构的可行性，拓展了光学拓扑现象的研究范畴。
• 结果表明，动量与角动量等高维自由度可被有效利用，以在非极化场中构建拓扑保护的光学特征。