Topologische nicht-triviale Spin-Texturen sind faszinierend in verschiedenen physikalischen Systemen, die von der Hochenergie- bis zur Physik der kondensierten Materie reichen. Die magnetischen Skyrmionen, die durch eine wirbelnde Magnetisierung in magnetischen Materialien gebildet werden, haben potenzielle Anwendungen in der hochdichten magnetischen Informationsspeicherung und -übertragung.
Darüber hinaus wurden photonische Analoga magnetischer Skyrmionen vorgeschlagen und kürzlich sowohl in 2D- als auch in 3D-Form demonstriert. Die Merkmale von Spinstrukturen im tiefen Subwellenlängenbereich bieten neuartige Werkzeuge für die optische Messtechnik, einschließlich hochpräziser Verschiebungserfassung und Überwachung magnetischer Domänen.
In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Wissenschaft & Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung der Professoren Luping Du und Xiaocong Yuan von der Universität Shenzhen eine einzigartige Anapolsonde entwickelt, um die von Magnetfeldern dominierten photonischen Spinstrukturen zu messen. Ihre Veröffentlichung „Measuring the magnetic topological spin structure of light using an anapole probe“ wies darauf hin, dass ihre vorgeschlagenen Methoden für die Weiterentwicklung der Spin-Photonik wertvoll sein könnten.
Die früheren Skyrmion-Lichtstrukturen wurden in Oberflächenplasmon-Polaritonen beobachtet, wobei elektrische Felder ihre Welleneigenschaften dominierten. Viele Ansätze wurden vorgeschlagen, um die elektrischen Feldverteilungen im Nahfeld abzubilden, darunter Fluoreszenzbildgebung, Photoemissionselektronenmikroskopie und optische Nahfeld-Rastermikroskopie (NSOM) mit Fasersonden oder Nanostreuungen.
Neben dem elektrischen Teil im optischen Spin ist der magnetische Teil wesentlich für transversale elektrische (TE) Moden (H-Typ-Wellen). Obwohl mehrere Nahfeld-Mapping-Techniken zur Charakterisierung der Magnetfelder entwickelt wurden, entweder unter Verwendung einer NSOM-Sonde mit spezifischer Spitze oder Nanopartikeln mit hohem Brechungsindex, unterliegen sie den unvermeidlichen Einflüssen des elektrischen Felds.
Es würde die Vektoreigenschaften des gemessenen Magnetfelds beeinflussen und die Robustheit des Systems bei der Charakterisierung der mit den Magnetfeldern verbundenen topologischen Spineigenschaften beeinträchtigen. Der Anapolmodus von Nanopartikeln mit reiner Magnetfeldantwort könnte eine großartige Lösung sein. Es hat viel Aufmerksamkeit auf Nahfeldoptik und Nanooptik gelenkt.
Die Forscher schlugen eine einzigartige magnetische Sonde mit einem Anapolmodus vor (im Folgenden Anapolsonde genannt). Es würde helfen, die topologischen Spinstrukturen von evaneszenten Wellen zu messen, die von Magnetfeldern gesteuert werden. Die Sonde besteht aus einer Nanokugel mit einem Ag-Kern und einer Si-Schale, bei der die angeregten elektrischen Dipol- und toroidalen Dipolmoden destruktive Interferenz erfahren.
Der Anapol bildet die Anapolmode und unterdrückt durch elektrische Felder verursachte Streustrahlung. Diese Anapolmode überlagert sich mit einer starken magnetischen Dipolresonanz, die eine hohe Detektionseffizienz des Magnetfeldes garantiert.
Ein selbstgebautes Nahfeld-Scanning-System unter Verwendung der Anapol-Sonde wurde aufgebaut und mit dem die magnetischen topologischen Spinstrukturen des TE-Modus zum ersten Mal charakterisiert wurden, einschließlich einzelner photonischer Skyrmionen und Skyrmion/Meron-Gitter.
Mit hoher Empfindlichkeit und Präzision kann die vorgeschlagene Methode zu einem wertvollen Werkzeug für die Untersuchung der zugrunde liegenden physikalischen Prozesse im Zusammenhang mit den Magnetfeldkomponenten des Lichts werden und die Entwicklung von Anwendungen erleichtern, darunter Datenspeicherung, Messtechnik, optische Pinzetten und chirale Nanoskopie.
Mehr Informationen:
Fanfei Meng et al, Messung der magnetischen topologischen Spinstruktur von Licht mit einer Anapolsonde, Licht: Wissenschaft & Anwendungen (2022). DOI: 10.1038/s41377-022-00970-x