[论文解读] Ultrafast Microscopy of a Plasmonic Spin Skyrmion

Yanan Dai, Zhikang Zhou+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2019

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 95被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种拓扑等离激元准粒子——超快显微镜揭示了在等离激元涡旋核心处，表面等离激元极化子（SPPs）中存在一种自旋Skyrmion样纹理，该纹理由圆偏振光的自旋角动量耦合至轨道角动量而形成。实验展示了具有整数拓扑荷的稳定扭曲Skyrmion对，通过时间分辨光电子发射显微镜和理论建模得到证实，从而实现了对材料中拓扑响应的探测。

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.

研究动机与目标

• 研究在圆偏振光激发下，表面等离激元极化子（SPPs）中拓扑自旋纹理的形成与动力学。
• 证明在涡旋核心处存在具有整数拓扑荷的等离激元自旋Skyrmion准粒子。
• 建立一种通用的解析框架，用于描述金属-真空界面介电不连续处的扭曲Skyrmion对。
• 探索这些拓扑纹理在探测和模拟平凡与拓扑材料中拓扑响应方面的潜力。
• 利用超快成像技术解析SPP涡旋中自旋角动量纹理的飞秒级时空演化。

提出的方法

• 采用干涉时间分辨双光子光电子发射电子显微镜（ITR-2P-PEEM）对SPP场的超快时空动力学进行成像。
• 在银膜上使用铣削加工的圆形耦合结构，利用圆偏振光（CPL）激发，以产生携带轨道角动量的SPP涡旋。
• 基于Ag/真空界面处的介电不连续性，提出一种解析模型，描述具有相反拓扑荷的纠缠扭曲Skyrmion对。
• 在二维界面处映射自旋角动量（SAM）赝向量，揭示具有核心奇点的三维赝自旋纹理。
• 通过光学L线奇点轮廓识别Skyrmion纹理的边界，将其与拓扑不变量关联。
• 通过模拟与实验验证，实现了具有整数Skyrmion数的单极子-刺猬型SAM纹理的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 等离激元涡旋能否支持具有整数Skyrmion数的拓扑自旋Skyrmion准粒子？
• RQ2 SPP中自旋角动量（SAM）与轨道角动量（OAM）的耦合如何在涡旋核心处生成三维赝自旋纹理？
• RQ3 Ag/真空界面处的介电不连续性在稳定具有相反拓扑荷的扭曲Skyrmion对中起什么作用？
• RQ4 所观测到的SAM纹理能否模拟或探测平凡与拓扑材料中的拓扑响应？
• RQ5 在单个Skyrmion、单极子样及阵列构型中，分别形成何种独特的场结构与拓扑纹理？

主要发现

• 实验确认了在SPP涡旋核心处存在具有整数Skyrmion数1的等离激元自旋Skyrmion准粒子。
• 自旋角动量（SAM）纹理形成单极子-刺猬构型，其涡旋核心处存在SAM奇点，表明具有非平凡拓扑。
• 解析模型预测在Ag/真空界面两侧形成纠缠的扭曲Skyrmion对，各自具有相反的拓扑荷。
• ITR-2P-PEEM成像解析了SPP场的飞秒级时空演化，揭示了Skyrmion纹理的动态形成过程。
• Skyrmion纹理的边界由光学L线奇点轮廓定义，与拓扑稳定性一致。
• 该系统支持单个Skyrmion和单极子样准粒子，其场结构由解析模型预测并具有显著差异。