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Plasmonic topological quasiparticle on the nanometre and femtosecond scales

机译：纳米和飞秒鳞片上的等离子体拓扑Quasiparticle

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摘要

At the interface of classical and quantum physics, the Maxwell and Schrodinger equations describe how optical fields drive and control electronic phenomena to enable lightwave electronics at terahertz or petahertz frequencies and on ultrasmall scales(1-5). The electric field of light striking a metal interacts with electrons and generates light-matter quasiparticles, such as excitons(6) or plasmons(7), on an attosecond timescale. Here we create and image a quasiparticle of topological plasmonic spin texture in a structured silver film. The spin angular momentum components of linearly polarized light interacting with an Archimedean coupling structure with a designed geometric phase generate plasmonic waves with different orbital angular momenta. These plasmonic fields undergo spin-orbit interaction and their superposition generates an array of plasmonic vortices. Three of these vortices can form spin textures that carry non-trivial topological charge(8) resembling magnetic meron quasiparticles(9). These spin textures are localized within a half-wavelength of light, and exist on the timescale of the plasmonic field. We use ultrafast nonlinear coherent photoelectron microscopy to generate attosecond videos of the spatial evolution of the vortex fields; electromagnetic simulations and analytic theory confirm the presence of plasmonic meron quasiparticles. The quasiparticles form a chiral field, which breaks the time-reversal symmetry on a nanometre spatial scale and a 20-femtosecond timescale (the 'nano-femto scale'). This transient creation of non-trivial spin angular momentum topology pertains to cosmological structure creation and topological phase transitions in quantum matter(10-12), and may transduce quantum information on the nano-femto scale(13,14).
机译：在经典和量子物理学的界面处，Maxwell和Schrodinger方程描述了光学领域如何驱动和控制电子现象，以在太赫兹或Petahertz频率和超超级秤上使能光波电子产品（1-5）。敲击金属的光的电场与电子相互作用，并产生浅品Quasiply，例如激子（6）或等级（7），在attosecond Timescale上。在这里，我们在结构化银膜中创建和图像拓扑旋转纺织纹理的Quasiply。线性偏振光的旋转角动量分量与阿基米德耦合结构相互作用，具有设计的几何相位产生具有不同轨道角动度的等离子体波。这些等离子体场经过旋转轨道相互作用，它们的叠加产生了一系列等离子体涡流。这些涡流中的三个可以形成旋转纹理，其携带类似磁性Meron Quasiparlicle（9）的非普通拓扑电荷（8）。这些旋转纹理在光的半波长内定位，存在于等离子体场的时间尺度。我们使用超快非线性相干光电子显微镜，生成涡旋场的空间演进的AttoSecond视频;电磁仿真和分析理论证实了质子的存在性Quasiparticles。 QuasiParticles形成手性领域，其在纳米空间尺度和20-FemtoSecond时间尺度（“纳米毫微微级”）上断开时间反转对称性。这种瞬态产生非琐碎的自旋角动量拓扑结构涉及量子物质（10-12）中的宇宙结构创造和拓扑相转变，并且可以在纳米毫微微级（13,14）上转换量子信息。

著录项

  • 来源
    《Nature》 |2020年第7839期|616-619|共4页
  • 作者

    Dai Yanan; Zhou Zhikang; Ghosh Atreyie; Mong Roger S. K.; Kubo Atsushi; Huang Chen-Bin; Petek Hrvoje;

  • 作者单位

    Univ Pittsburgh Dept Phys & Astron Pittsburgh PA 15260 USA|Univ Pittsburgh Pittsburgh Quantum Inst Pittsburgh PA USA;

    Univ Pittsburgh Dept Phys & Astron Pittsburgh PA 15260 USA|Univ Pittsburgh Pittsburgh Quantum Inst Pittsburgh PA USA;

    Univ Pittsburgh Dept Phys & Astron Pittsburgh PA 15260 USA|Univ Pittsburgh Pittsburgh Quantum Inst Pittsburgh PA USA;

    Univ Pittsburgh Dept Phys & Astron Pittsburgh PA 15260 USA|Univ Pittsburgh Pittsburgh Quantum Inst Pittsburgh PA USA;

    Univ Tsukuba Fac Pure & Appl Sci Div Phys Tsukuba Ibaraki Japan;

    Natl Tsing Hua Univ Inst Photon Technol Hsinchu Taiwan;

    Univ Pittsburgh Dept Phys & Astron Pittsburgh PA 15260 USA|Univ Pittsburgh Pittsburgh Quantum Inst Pittsburgh PA USA;

  • 收录信息 美国《科学引文索引》(SCI);美国《工程索引》(EI);美国《生物学医学文摘》(MEDLINE);美国《化学文摘》(CA);
  • 原文格式 PDF
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