Une nouvelle technique de microscopie électronique révèle des structures de spin complexes à des échelles de temps femtosecondes

Les plasmons sont des oscillations collectives d’électrons dans un solide et sont importants pour un large éventail d’applications, telles que la détection, la catalyse et la récolte de lumière. Les ondes plasmoniques qui se propagent à la surface d’un métal, appelées polaritons plasmoniques de surface, ont été étudiées pour leur capacité à renforcer les champs électromagnétiques.

L’un des outils les plus puissants pour étudier ces ondes est la microscopie électronique à résolution temporelle, qui utilise des impulsions laser ultracourtes pour observer le comportement de ces ondes plasmoniques. Une équipe de recherche internationale a récemment repoussé les limites de cette technique.

Comme indiqué dans Photonique avancéeles chercheurs ont utilisé plusieurs impulsions laser retardées de quatre polarisations différentes pour capturer le champ électrique complet de ces ondes. Cette méthode leur a permis d’atteindre un niveau de précision auparavant impossible.

Pour tester leur technique, l’équipe a étudié une texture de spin spécifique connue sous le nom de paire de mérons. Un méron est une structure topologique où la direction de la texture de spin ne couvre que la moitié d’une sphère, ce qui la distingue d’autres structures similaires, comme les skyrmions, dont le spin couvre la totalité de la sphère.

Pour reconstruire la texture de spin à partir de l’expérience, les chercheurs avaient besoin des vecteurs de champ électrique et magnétique des polaritons des plasmons de surface. Alors que les vecteurs de champ électrique pouvaient être mesurés directement, les vecteurs de champ magnétique devaient être calculés sur la base du comportement du champ électrique dans le temps et dans l’espace.

En utilisant leur méthode précise, les chercheurs ont pu reconstruire la texture de spin et déterminer ses propriétés topologiques, telles que le nombre de Chern, qui décrit le nombre de fois où la texture de spin se mappe sur une sphère. Dans ce cas, le nombre Chern s’est avéré être un, indiquant la présence d’une paire de mérons.

L’étude a également démontré que la texture de spin reste stable pendant toute la durée de l’impulsion plasmonique, malgré la rotation rapide des vecteurs de champ électrique et magnétique. Cette nouvelle approche ne se limite pas aux paires de mérons et peut être appliquée à d’autres champs de polaritons de plasmons de surface complexes.

Comprendre ces champs et leurs propriétés topologiques est important, en particulier à l’échelle nanométrique, où la protection topologique peut contribuer à maintenir la stabilité des matériaux et des dispositifs.

Ces recherches montrent qu’il est désormais possible d’étudier des textures de spin complexes avec une grande précision sur des échelles de temps extrêmement courtes. La capacité de reconstruire avec précision l’intégralité des champs électriques et magnétiques des polaritons de plasmons de surface ouvre de nouvelles possibilités pour explorer les propriétés topologiques des champs électromagnétiques proches, ce qui pourrait avoir des implications importantes pour les technologies futures à l’échelle nanométrique.