Les textures de spin topologique, les modèles organisés spatialement liés au moment angulaire intrinsèque des particules, se sont révélés très avantageux pour le développement de la spintronique et des technologies quantiques. L'une des textures les plus étudiées parmi ces textures est les textures skyrmioniques, qui sont des modèles bidimensionnels et stables d'orientation du spin. Récemment, l'étude des textures skyrmioniques a attiré une attention significative dans le domaine de l'optique et de la photonique, révélant de nouvelles propriétés physiques et des applications potentielles prometteuses.
Dans le contexte de l'optique et de la photonique, les physiciens ont jusqu'à présent étudié les textures skyrmioniques dans l'espace réel. Cependant, ils pourraient également être étudiés dans l'espace dite de la quantité de mouvement, où la lumière est décrite en fonction de leur élan dans le plan.
Des chercheurs de l'Université Fudan et de la Nanyang Technological University ont récemment démontré la réalisation des textures de spin Meron dans l'espace de quantité de mouvement, en utilisant des matériaux micro-structurés qui contrôlent la propagation de la lumière. Leur article, publié dans Lettres d'examen physiquepourrait ouvrir de nouvelles possibilités passionnantes pour étudier les interactions entre la topologie et la lumière, tout en contribuant potentiellement au développement de dispositifs optiques et de technologies quantiques.
« Ce travail provient de nos explorations de longue date sur les propriétés cachées des états liés dans le continuum (BICS) », a déclaré à Issues.fr Lei Shi, auteur co-ennior du journal. « Les BIC sont des singularités topologiques importantes, permettant des facteurs de qualité ultra-élevé et transportant des configurations de vortex de polarisation dans l'espace de quantité de mouvement.
Dans le cadre de leurs œuvres antérieures, Shi et ses collègues ont largement exploré les configurations topologiques des BIC. Les BIC sont des états physiques inhabituels qui ne rayonnent pas et restent liés, même s'ils existent dans des systèmes ouverts et dans une gamme d'énergies auxquelles les vagues fuient ou se propagent généralement.
« Dans nos études précédentes, nous avons étudié les configurations topologiques des BIC dans divers domaines de recherche, notamment le lasage vectoriel, la génération de tourbillons optiques et même l'effet de la salle de spin », a déclaré Shi. « Ces études ont initialement établi notre compréhension de la façon dont les BIC modulent les champs lumineux. »
Au cours des dernières années, les chercheurs ont également été inspirés par des progrès remarquables dans la réalisation des soi-disant champs de lumière skyrmioniques. Ce sont des modèles structurés des vecteurs physiques dans les champs lumineux qui reflètent étroitement la structure topologique des textures de spin de type vortex appelées skyrmions magnétiques.
« Les champs lumineux skyrmioniques, en tant que classe importante de champs lumineux structurés, ont suscité un intérêt significatif en raison de leurs nouvelles propriétés et applications potentielles », a déclaré Shi. « La recherche sur les champs lumineux skyrmioniques en est encore à ses débuts, et de nombreux aspects restent inexplorés. Parmi ceux-ci, la génération de champs de lumière skyrmionique est particulièrement critique, car il constitue la base d'études et d'applications supplémentaires. »
Des recherches antérieures suggèrent que la génération de champs lumineuses skyrmioniques est étroitement liée aux tourbillons optiques. La récente étude de Shi et de ses collègues s'appuie sur cette idée importante et sur leurs tentatives précédentes pour manipuler les champs lumineux via BICS.
« Nous avons commencé à explorer si les propriétés uniques des BIC pourraient être utilisées pour la génération de champs lumineux skyrmioniques », a déclaré Shi. « D'une part, nous avons visé à étudier la relation entre les configurations de polarisation topologique des champs de lumière BICS et Skyrmionic, ainsi que les mécanismes physiques sous-jacents qui conduisaient cette connexion. D'un autre côté, nous avons cherché à développer une méthode compacte et simple pour générer des champs de lumière Skyrmionic, qui pourraient ouvrir la voie à leurs applications plus larges dans l'avenir. »
Notamment, la plupart des méthodes proposées précédemment pour générer des champs de lumière skyrmioniques sont complexes et nécessitent des systèmes volumineux. Ainsi, les méthodes faciles sont toujours en forte demande d'applications pratiques. Par conséquent, un autre objectif de cette étude récente était de concevoir des stratégies de génération de champs lumineuses nouvelles et évolutives.
« L'un des principaux défis pour faire progresser leur application pratique réside dans le développement de générateurs compacts et miniaturisés, qui est également un objectif de recherche de pointe », a déclaré Jiajun Wang, co-correspondant auteur du journal, à Issues.fr.
Pour générer des textures de spin Meron dans l'espace de quantité de mouvement, Shi, Wang et leurs collègues ont conçu pour la première fois une dalle de cristal photonique. Il s'agit d'un matériau micro-structuré qui a été fabriqué en gravant des trous périodiques dans un film diélectrique autonome.
« En concentrant un faisceau laser monochromatique polarisé circulaire sur la dalle de cristal photonique, nous pouvons réaliser la génération de textures de méron optique (un type de champ lumineux skyrmionique) », a expliqué Shi.
« En utilisant un système de mesure basé sur les Fourier-Optics fait maison, nous avons mesuré les distributions de polarisation en champ lointain de la lumière transmise et obtenus paramètres de Stokes correspondants. Ici, les vecteurs Stokes normalisés sont les pseudo-coups de la lumière structurée étudiée. »
En analysant les mesures qu'ils ont collectées, les chercheurs ont pu caractériser les textures de spin d'espace de mouvement dans la lumière transmise. Cela a finalement validé le potentiel de leur approche pour générer des champs lumineux skyrmioniques.
« Nous avons proposé une nouvelle méthode pour générer des textures Stokes Meron Spin dans l'espace de la quantité de mouvement, et avons révélé la connexion entre les BICS, le vortex de polarisation de l'espace de momentum, le vortex de phase et le champ lumineux skyrmionique », a déclaré Shi. « Notre méthode relève non seulement des défis critiques dans la génération de champs de lumière skyrmionique, mais établit également un cadre robuste pour leurs futures explorations et applications. »
« Les Bics existent dans les dalles de cristal photoniques – les structures diélectriques périodiques sans centre d'espace réel », a ajouté Wang. « Par rapport aux métasurfaces traditionnelles, notre méthode offre l'avantage évident de ne nécessiter aucun alignement. »
La nouvelle approche pour générer des champs de lumière skyrmionique conçus par Shi, Wang et leurs collègues pourraient bientôt être utilisés par d'autres groupes de recherche pour étudier la lumière topologiquement structurée. À l'avenir, il pourrait contribuer à l'application pratique des champs lumineux skyrmioniques pour le traitement de l'information optique, pour la collecte de mesures optiques ou pour le développement de dispositifs optiques quantiques.
« Nous prévoyons maintenant de continuer à explorer les effets cachés de la topologie de l'espace de momentum activé par BICS », a ajouté Shi. « En outre, nous visons à étudier plus en détail les nouveaux effets et les applications potentielles des champs lumineux skyrmioniques générés, tels que ses propriétés de propagation et sa stabilité sous perturbation. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Gaby Clark, et vérifié et examiné par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
