Le faisceau vortex avec moment angulaire orbital (OAM) est un nouvel outil idéal pour exciter sélectivement les états interdits dipolaires par absorption optique linéaire. L'émergence du faisceau vortex avec OAM offre des opportunités intrigantes pour induire des transitions optiques au-delà du cadre des interactions dipolaires électriques. La caractéristique unique est née du transfert de l'OAM de la lumière au matériau, comme cela a été démontré avec les transitions électroniques dans les systèmes atomiques.

Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , T. Arikawa et une équipe de chercheurs en physique, génie électrique et science des matériaux cellulaires au Japon et au Canada, transfert OAM détaillé aux électrons dans les systèmes à l'état solide. Ils ont utilisé des métamatériaux pour montrer comment les modes multipolaires des excitations électromagnétiques de surface, également connu sous le nom de « spoof » plasmons de surface localisés, pourrait être induite sélectivement par le faisceau de vortex térahertz. Les plasmons de surface d'usurpation sont un type de polariton de plasmon de surface (SPP) qui se propage généralement à travers les interfaces diélectriques et métalliques aux fréquences infrarouges et visibles. Cependant, étant donné que de tels polaritons ne peuvent pas se produire naturellement dans les fréquences térahertz ou micro-ondes, Les plasmons de surface d'usurpation nécessitent des métamatériaux artificiels pour se propager à de telles fréquences.

Les règles de sélection de l'étude étaient régies par la conservation du moment cinétique total, dont Arikawa et al. confirmé par des simulations numériques. Le transfert efficace du moment angulaire orbital léger aux excitations élémentaires à température ambiante dans les systèmes à l'état solide peut étendre le potentiel de la manipulation expérimentale de l'OAM pour construire des applications basées sur l'OAM, y compris les mémoires quantiques et les capteurs OAM.

Les interactions lumière-matière sont régies par les structures spatio-temporelles d'un champ lumineux et par des fonctions d'onde matérielles. Les chercheurs ont utilisé des méthodes optiques non linéaires telles que l'absorption à deux photons pour exciter sélectivement un mode sombre spécifique, en présence de fortes sources lumineuses. L'OAM (moment angulaire orbital) fournit une nouvelle méthode pour exciter sélectivement les états interdits aux dipôles par absorption optique linéaire, tout en dérivant des règles de sélection différentes. Les scientifiques peuvent explorer une telle sélectivité, relatif au transfert OAM de la lumière vers un matériau, bien que de telles transitions soient très petites à enregistrer. Dans ce travail, Arikawa et al. ont étudié les électrons dans les solides avec des fonctions d'onde étendues comme plate-forme idéale pour étudier les interactions vortex lumière-matière.

Des études récentes en analyse de champ électromagnétique avaient prédit un transfert OAM efficace des faisceaux vortex aux plasmons de surface localisés (LSP) dans un disque métallique. Lors des simulations, modes multipolaires à grand moment cinétique, c'est-à-dire quadripôle, hexapôle, etc., peut être sélectivement excité à la suite d'un transfert OAM.

Dans ce travail, l'équipe a montré expérimentalement une excitation sélective à l'aide d'un spoof LSP (un analogue basse fréquence de LSP) qui peut exister autour de la surface d'un disque métallique périodiquement texturé. Ils ont construit la structure du métamatériau pour ramener les fréquences de résonance jusqu'à la gamme de fréquences térahertz (THZ) pour une imagerie non destructive. La configuration expérimentale a permis aux scientifiques de visualiser les motifs caractéristiques entourant le disque ondulé et d'identifier les modes LSP frauduleux excités dans l'échantillon. Pour visualiser les modèles de champ proche dus aux LSP, Arikawa et al. disques d'or ondulés sur la surface supérieure d'un cristal détecteur térahertz (THZ), pour échantillonner le champ électrique qui s'est formé à quelques microns de la structure métallique. Ils ont réalisé les expériences à température ambiante et obtenu cinq instantanés du champ électrique THZ autour de l'échantillon après excitation par un faisceau gaussien polarisé linéairement.

Imagerie en champ proche résolue en temps et analyse d'expansion de mode .

Après que l'impulsion térahertz incidente ait traversé l'échantillon, l'équipe a observé une oscillation de champ électrique localisée autour du cercle extérieur de l'échantillon en tant qu'excitation résonnante de l'usurpation de LSP, représentant le modèle de champ électrique attendu. Les travaux ont confirmé l'excitation du mode dipôle par le faisceau gaussien et que plusieurs LSP d'usurpation pouvaient être excités par des faisceaux vortex. Pour illustrer ce propos, Arikawa et al. effectué des analyses supplémentaires en se concentrant sur le champ électrique le long du cercle extérieur de l'échantillon pour représenter le spectre de fréquences de chaque mode LSP. Les résultats ont montré l'excitation efficace et sélective de modes multipolaires basés sur l'OAM de la lumière, permettant aux scientifiques d'identifier tous les modes LSP frauduleux excités dans l'échantillon.

L'analyse a en outre révélé la fréquence de résonance de chaque mode, leur permettant de tracer la relation de dispersion, c'est-à-dire la relation entre la fréquence optique et les constantes de propagation des modes de polaritons des plasmons de surface. La relation de dispersion des LSP spoof dépendait des paramètres géométriques des structures métalliques, fournissant aux scientifiques un outil puissant pour contrôler les fréquences de résonance. L'équipe a effectué des expériences et des analyses supplémentaires sur des échantillons avec diverses dimensions d'ondulation pour démontrer le contrôle de la fréquence de résonance. Les résultats leur ont permis de déduire les règles de sélection dans le système pour exciter plusieurs LSP falsifiés. Les observations ont fortement soutenu que les règles de sélection étaient régies par la conservation du moment angulaire total (TAM), ce que l'équipe a ensuite confirmé numériquement pour les LSP falsifiés en utilisant des analyses de champ électromagnétique similaires.

De cette façon, T. Arikawa et ses collègues ont observé le déplacement d'ondes de surface avec une faible diffusion des électrons pour permettre un mouvement collectif cohérent des électrons sur l'ensemble de l'échantillon. L'accordabilité en fréquence de la géométrie du disque métallique ondulé lui a permis d'être un récepteur OAM très polyvalent avec une large gamme de fréquences tant que la diffusion dans la configuration expérimentale était suffisamment faible. L'équipe s'attend à ce que l'OAM soit transféré à d'autres excitations élémentaires dans les solides, y compris les excitons de Rydberg, skyrmions et phonons, bien qu'ils auront besoin de techniques de focalisation au-delà de la limite de diffraction dans de tels cas. Les travaux sur l'échange OAM efficace entre la lumière et les excitations élémentaires dans les systèmes à semi-conducteurs seront fondamentaux pour générer de nouveaux dispositifs à semi-conducteurs pour les applications OAM.

© 2020 Réseau Science X