Skyrmionendie für ihre komplizierten Spinkonfigurationen bekannt sind, haben Forscher als topologische Quasiteilchen mit enormem Potenzial für die Datenspeicherung und Informationstechnologie fasziniert. Kürzlich, optische Skyrmionen– lichtbasierte Gegenstücke dieser Quasiteilchen – haben sich als vielversprechender Weg für die Entwicklung fortschrittlicher optischer Systeme mit einzigartigen topologischen Eigenschaften herausgestellt.
Bestehende Methoden zur Erzeugung optischer Skyrmionen erfordern typischerweise sperrige und komplexe räumliche Lichtmodulationsaufbauten, was ihre Skalierbarkeit und praktischen Einsatz einschränkt. Zwar wurden Ansätze unter Verwendung evaneszenter oder magnetischer Felder vorgeschlagen, diese Methoden sind jedoch darauf beschränkt optische NahfelderDies macht die Erkennung schwierig und die Ausbreitung im freien Raum über große Entfernungen nahezu unmöglich. Bisher war es eine ständige Herausforderung, optische Skyrmionen im Subwellenlängenbereich zu erreichen, ohne auf umständliche Systeme angewiesen zu sein.
Metafasern für Stokes-Skyrmionen
Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben wir ein flexibles Metafasergerät entwickelt, das optische Skyrmionen mit anpassbaren topologischen Texturen und beispiellosen Polarisationsmerkmalen unterhalb der Wellenlänge erzeugen kann (Abb. 1). Diese Metafaser-Plattform ist von der Lab-on-Fiber-Technologie inspiriert und umfasst Folgendes: Metastrukturen direkt auf Faserspitzen und ermöglicht so die Erstellung von strukturierte Lichtfelder mit präzise einstellbaren topologischen Eigenschaften. Unsere Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Naturkommunikation.
Wie in Abb. 2 dargestellt, umfasst das Metafaserdesign eine polarisationserhaltende Singlemode-Faser (PSF), einen Expansionsabschnitt und eine Metaoberfläche an der Faserspitze. Durch die Kombination orthogonal polarisierter Bessel-Strahlen (nullter und erster Ordnung) mit orbitalem Drehimpuls (OAM) erzeugt das Gerät Stokes-Skyrmionen. Anpassungen am Metaoberflächendesign ermöglichen die Erstellung verschiedener Skyrmion-Typen, darunter Néel-, Bloch- und Anti-Skyrmionen.
Diese Arbeit kann einen neuen Weg in der optischen Skyrmion-Forschung eröffnen, indem sie Metaphotonik und optische Fasertechnologie vereint und ein vielseitiges und ultrakompaktes Gerät zur Erzeugung von strukturiertem Licht bietet. Mit ihrer Fähigkeit, hochwertige Skyrmionen mit unterschiedlichen Topologien zu produzieren, eröffnet die Metafaser-Plattform spannende Möglichkeiten für die optische Kommunikation, Datenspeicherung und mehr.
Zusammenfassung und Ausblick
Optische Skyrmionen sind topologische Lichtstrukturen mit außergewöhnlichen Eigenschaften. Wir stellen Metafasern als kompakte, integrierte Geräte zur Erzeugung photonischer Skyrmionen mit Designertopologien und Polarisationssteuerung unterhalb der Wellenlänge vor. Diese Fortschritte bieten einen praktischen Weg zur Realisierung von strukturiertem Licht für fortschrittliche optische Technologien.
Zukünftige Arbeiten könnten zusätzliche Funktionalitäten erforschen, wie zum Beispiel Spin-Skyrmionen und rekonfigurierbare Metaoberflächen, die von betrieben werden Phasenwechsel oder 2D-Materialienwas den Anwendungsbereich topologisch konstruierter Lichtfelder weiter erweitert.
Die Anwendung metastrukturierter Fasern unterstreicht das transformative Potenzial der Erforschung von strukturiertem Licht, elektromagnetischem Spin und anspruchsvoller Lichtfeldtopologie und ebnet den Weg für weitere praktische Anwendungen optischer Skyrmionen und andere Anwendungen in der optischen Physik und Nanophotonik.
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Weitere Informationen:
Tiantian He et al, Optische Skyrmionen aus Metafasern mit Subwellenlängenmerkmalen, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-54207-z
Yuan Meng erhielt einen Doktortitel in optischer Technik von der Tsinghua-Universität und ist derzeit Postdoktorand an der Washington University in St. Louis.