Ученые создали микроструктурированные материалы для управления распространением света

Автор: Рао и др. Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/3g3j-mnh9

Топологические спиновые текстуры — пространственно организованные паттерны, связанные с внутренним угловым моментом частиц — оказались крайне полезными для развития спинтроники и квантовых технологий. Одними из наиболее изученных среди этих текстур являются скирмионные текстуры — двумерные и стабильные паттерны ориентации спина. В последнее время изучение скирмионных текстур привлекло значительное внимание в области оптики и фотоники, раскрыв новые физические свойства и перспективные практические применения.

В контексте оптики и фотоники физики до сих пор в основном изучали скирмионные текстуры в реальном пространстве. Однако их также можно исследовать в так называемом импульсном пространстве, где свет описывается на основе его внутриплоскостного импульса.

Исследователи из Университета Фудань и Наньянского технологического университета недавно продемонстрировали реализацию меронных спиновых текстур в импульсном пространстве, используя микроструктурированные материалы, управляющие распространением света. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, может открыть новые захватывающие возможности для изучения взаимодействия между топологией и светом, а также внести вклад в разработку оптических устройств и квантовых технологий.

«Эта работа возникла из наших многолетних исследований скрытых свойств связанных состояний в континууме (BIC)», — рассказал Phys.org Лэй Ши, один из старших авторов статьи. «BIC — это важные топологические сингулярности, обеспечивающие сверхвысокие добротности и несущие вихревые конфигурации поляризации в импульсном пространстве. Эти свойства делают BIC идеальными платформами для изучения топологического управления световыми полями».

В рамках своих предыдущих работ Ши и его коллеги детально исследовали топологические конфигурации BIC. BIC — это необычные физические состояния, которые не излучают и остаются связанными, даже если существуют в открытых системах и в диапазоне энергий, где волны обычно рассеиваются.

«В наших предыдущих исследованиях мы изучали топологические конфигурации BIC в различных областях, включая векторную генерацию лазерного излучения, генерацию оптических вихрей и даже спин-зарядовый эффект света», — сказал Ши. «Эти исследования заложили основу нашего понимания того, как BIC модулируют световые поля».

В последние годы исследователи также вдохновлялись значительными успехами в реализации так называемых скирмионных световых полей. Это структурированные паттерны физических векторов в световых полях, которые тесно связаны с топологической структурой вихреподобных спиновых текстур, известных как магнитные скирмионы.

«Скирмионные световые поля, как важный класс структурированных световых полей, вызвали значительный интерес благодаря своим новым свойствам и потенциальным применениям», — отметил Ши. «Исследования скирмионных световых полей все еще находятся на ранней стадии, и многие аспекты остаются неисследованными. Среди них генерация скирмионных световых полей особенно важна, так как она формирует основу для дальнейших исследований и приложений».

Предыдущие исследования показывают, что генерация скирмионных световых полей тесно связана с оптическими вихрями. Последняя работа Ши и его коллег опирается на это важное наблюдение и их предыдущие попытки управлять световыми полями через BIC.

«Мы начали исследовать, можно ли использовать уникальные свойства BIC для генерации скирмионных световых полей», — пояснил Ши. «С одной стороны, мы хотели изучить связь между топологическими поляризационными конфигурациями BIC и скирмионными световыми полями, а также лежащие в основе физические механизмы. С другой стороны, мы стремились разработать компактный и простой метод генерации скирмионных световых полей, который мог бы открыть путь для их более широкого применения в будущем».

Большинство ранее предложенных методов генерации скирмионных световых полей являются сложными и требуют громоздких систем. Поэтому простые методы по-прежнему востребованы для практического применения. Дополнительной целью данного исследования стала разработка новых и масштабируемых стратегий генерации световых полей.

«Одной из ключевых проблем в продвижении их практического применения является разработка компактных миниатюрных генераторов, что также является передовым направлением исследований», — отметил Цзяцзюнь Ван, соавтор статьи.

Для генерации меронных спиновых текстур в импульсном пространстве Ши, Ван и их коллеги сначала разработали фотонный кристалл. Это микроструктурированный материал, созданный путем травления периодических отверстий в свободно стоящей диэлектрической пленке.

«Фокусируя монохроматический циркулярно поляризованный лазерный луч на фотонный кристалл, мы можем реализовать генерацию оптических меронных текстур (одного из типов скирмионных световых полей)», — объяснил Ши.

Используя самодельную измерительную систему на основе фурье-оптики, исследователи измерили распределение поляризации в дальней зоне прошедшего света и получили соответствующие параметры Стокса. Нормированные векторы Стокса являются псевдоспинами исследуемого структурированного света.

Анализируя собранные данные, ученые смогли охарактеризовать спиновые текстуры в импульсном пространстве внутри прошедшего света. Это подтвердило потенциал их подхода для генерации скирмионных световых полей.

«Мы предложили новый метод генерации меронных спиновых текстур Стокса в импульсном пространстве и раскрыли связь между BIC, вихревой поляризацией в импульсном пространстве, фазовым вихрем и скирмионным световым полем», — сказал Ши. «Наш метод не только решает ключевые проблемы в генерации скирмионных световых полей, но и создает надежную основу для их дальнейшего изучения и применения».

Новый подход к генерации скирмионных световых полей, разработанный Ши, Ваном и их коллегами, вскоре может быть использован другими исследовательскими группами для изучения топологически структурированного света. В будущем он может способствовать практическому применению скирмионных световых полей для обработки оптической информации, сбора оптических измерений или разработки квантовых оптических устройств.

«Теперь мы планируем продолжить изучение скрытых эффектов топологии импульсного пространства, обеспечиваемых BIC», — добавил Ши. «Кроме того, мы намерены исследовать новые эффекты и потенциальные применения генерируемых скирмионных световых полей, такие как их свойства распространения и устойчивость к возмущениям».

Дополнительная информация: Lixi Rao et al, Meron Spin Textures in Momentum Space Spawning from Bound States in the Continuum, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/3g3j-mnh9. На arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2505.15081