Il fascio di vortice con momento angolare orbitale (OAM) è uno strumento nuovo e ideale per eccitare selettivamente stati proibiti di dipolo attraverso l'assorbimento ottico lineare. L'emergere del fascio di vortice con OAM offre interessanti opportunità per indurre transizioni ottiche oltre la struttura delle interazioni di dipolo elettrico. La caratteristica unica è nata dal trasferimento di OAM dalla luce al materiale, come dimostrato con le transizioni elettroniche nei sistemi atomici.

In un nuovo rapporto su Progressi scientifici , T. Arikawa e un team di ricercatori in fisica, ingegneria elettrica e scienza dei materiali cellulari in Giappone e Canada, trasferimento dettagliato di OAM agli elettroni nei sistemi a stato solido. Hanno usato metamateriali per mostrare come le modalità multipolari delle eccitazioni elettromagnetiche di superficie, noto anche come plasmoni di superficie localizzati "spoof", potrebbe essere selettivamente indotta attraverso il fascio di vortici terahertz. I plasmoni di superficie spoof sono un tipo di polaritone plasmonico di superficie (SPP) che si propaga tipicamente attraverso interfacce dielettriche e metalliche a frequenze infrarosse e visibili. Però, poiché tali polaritoni non possono trovarsi naturalmente in frequenze terahertz o microonde, i plasmoni di superficie falsi richiedono metamateriali artificiali per la propagazione in tali frequenze.

Le regole di selezione dello studio sono state governate dalla conservazione del momento angolare totale, quale Arikawa et al. confermata mediante simulazioni numeriche. L'efficiente trasferimento del momento angolare orbitale della luce alle eccitazioni elementari a temperatura ambiente nei sistemi allo stato solido può espandere il potenziale della manipolazione sperimentale dell'OAM per costruire applicazioni basate sull'OAM, comprese memorie quantistiche e sensori basati su OAM.

Le interazioni luce-materia sono governate da strutture spazio-temporali di un campo luminoso e da funzioni d'onda materiali. I ricercatori hanno utilizzato metodi ottici non lineari come l'assorbimento a due fotoni per eccitare selettivamente una specifica modalità oscura, in presenza di forti sorgenti luminose. L'OAM (momento angolare orbitale) fornisce un nuovo metodo per eccitare selettivamente stati dipolo-proibiti attraverso l'assorbimento ottico lineare, derivando regole di selezione differenti. Gli scienziati possono esplorare tale selettività, relativo al trasferimento di OAM dalla luce a un materiale, sebbene tali transizioni siano molto piccole da registrare. In questo lavoro, Arikawa et al. ha studiato gli elettroni nei solidi con funzioni d'onda estese come piattaforma ideale per studiare le interazioni tra luce e materia dei vortici.

Recenti studi sull'analisi del campo elettromagnetico avevano previsto un trasferimento efficiente di OAM dai fasci di vortice ai plasmoni di superficie localizzati (LSP) in un disco metallico. Durante le simulazioni, modi multipolari con grande momento angolare, cioè quadrupolo, esapolo, eccetera., può essere selettivamente eccitato come risultato del trasferimento OAM.

In questo lavoro, il team ha mostrato sperimentalmente l'eccitazione selettiva utilizzando lo spoof LSP (un analogo a bassa frequenza di LSP) che può esistere attorno alla superficie di un disco metallico periodicamente strutturato. Hanno costruito la struttura del metamateriale per ridurre le frequenze di risonanza alla gamma di frequenze dei terahertz (THZ) per l'imaging non distruttivo. La configurazione sperimentale ha permesso agli scienziati di visualizzare i modelli caratteristici che circondano il disco ondulato e identificare le modalità LSP contraffatte eccitate nel campione. Per visualizzare modelli di campo vicino a causa di LSP, Arikawa et al. dischi d'oro ondulati ingegnerizzati sulla superficie superiore di un cristallo rivelatore terahertz (THZ), per campionare il campo elettrico che si è formato a pochi micron di distanza dalla struttura metallica. Hanno eseguito gli esperimenti a temperatura ambiente e ottenuto cinque istantanee del campo elettrico THZ attorno al campione dopo l'eccitazione da parte di un raggio gaussiano polarizzato linearmente.

Imaging in campo vicino risolta nel tempo e analisi dell'espansione della modalità .

Dopo che l'impulso terahertz incidente è passato attraverso il campione, il team ha osservato un'oscillazione del campo elettrico localizzata attorno al cerchio esterno del campione come eccitazione risonante di spoof LSP, che rappresenta l'andamento del campo elettrico atteso. Il lavoro ha confermato l'eccitazione della modalità dipolo da parte del fascio gaussiano e che più LSP falsificati potrebbero essere eccitati da fasci di vortice. Per illustrare questo punto, Arikawa et al. ha eseguito ulteriori analisi concentrandosi sul campo elettrico lungo il cerchio esterno del campione per rappresentare lo spettro di frequenza di ciascuna modalità LSP. I risultati hanno mostrato l'eccitazione efficiente e selettiva dei modi multipolari basati sull'OAM della luce, consentendo agli scienziati di identificare tutte le modalità LSP contraffatte eccitate nel campione.

L'analisi ha inoltre rivelato la frequenza di risonanza di ciascuna modalità, permettendo loro di disegnare la relazione di dispersione cioè la relazione tra la frequenza ottica e le costanti di propagazione dei modi polaritoni plasmonici di superficie. La relazione di dispersione degli LSP spoof dipendeva dai parametri geometrici delle strutture metalliche, fornendo agli scienziati un potente strumento per controllare le frequenze di risonanza. Il team ha eseguito ulteriori esperimenti e analisi su campioni con diverse dimensioni di ondulazione per dimostrare il controllo della frequenza di risonanza. I risultati hanno permesso loro di dedurre le regole di selezione nel sistema per eccitare più LSP falsi. Le osservazioni hanno fortemente sostenuto che le regole di selezione erano governate dalla conservazione del momento angolare totale (TAM), che il team ha poi confermato numericamente per gli LSP falsificati utilizzando analisi del campo elettromagnetico simili.

In questo modo, T. Arikawa e colleghi hanno osservato onde superficiali in viaggio con una bassa dispersione di elettroni per consentire un movimento collettivo coerente di elettroni attraverso l'intero campione. La sintonizzabilità della frequenza della geometria del disco metallico ondulato gli ha permesso di essere un ricevitore OAM molto versatile con frequenze ad ampio raggio purché la dispersione nella configurazione sperimentale fosse sufficientemente bassa. Il team si aspetta che l'OAM si trasferisca ad altre eccitazioni elementari nei solidi inclusi gli eccitoni di Rydberg, skyrmioni e fononi, anche se in tali casi avranno bisogno di tecniche di focalizzazione oltre il limite di diffrazione. Il lavoro sull'efficiente scambio OAM tra eccitazioni luminose ed elementari nei sistemi a stato solido sarà fondamentale per generare nuovi dispositivi a stato solido per applicazioni OAM.

© 2020 Scienza X Rete