用于测量光的磁拓扑自旋结构的无极探针
发布时间：2026-02-03 15:57:13 阅读数： 45
深圳大学微尺度光电子研究所纳米光子学研究中心袁晓聪教授的研究小组设计了一种独特的非极探针，用于监测光中磁场主导的光子自旋结构。
研究：利用无极探针测量光的磁拓扑自旋结构。
该方法有望促进自旋光子学的发展，并有助于表征光自旋的磁性。该团队的报告发表于《自然·光：科学与应用》期刊。
拓扑非平凡的自旋结构展现出涌现电动力学特性，并可被自旋流驱动跨越宏观距离。斯格明子就是拓扑非平凡自旋结构的一个例子。
什么是天明子？
斯格明子可以比作亚原子飓风、扭曲的磁力线结或旋转的准粒子。它们是物理学中最难理解的概念之一。
在磁性斯格明子中，相互缠绕的磁力线形成纳米级图案，这种图案无法轻易分离。它们像钥匙环一样彼此交叠。当斯格明子在磁场中漂移时，它可以从每个给定位置的磁力线再生。这些独特的性质和纳米级尺寸使其成为制造下一代存储设备和非常规计算设备的理想选择。
最近，人们在二维倏逝波或三维传播结构光中展示了磁斯格明子的光子等效物。
自旋结构的深亚波长特性为高精度位移检测和磁畴监测等新的光学计量技术提供了可能。
实现拓扑非平凡自旋纹理的适当检测方法对于这些应用以及纳米尺度磁性结构的一般研究来说是一个重要问题。
袁教授团队在本研究中提出的新型磁性反极探针可以测量由磁场控制的倏逝波的拓扑自旋结构。
实验细节
为了制造出具有显著磁场响应但无电反应的理想磁探针，必须操控多极模式之间的相互作用。长期以来，由于纯高折射率纳米粒子（例如硅纳米粒子）的磁偶极子和电偶极子模式的光谱特征重叠，实现纯磁偶极散射一直受到阻碍。
最近的研究表明，硅纳米粒子内部环形偶极子模式和电偶极子模式之间的相消干涉（称为非极子模式）会抑制电偶极子散射。这种特性在远场中可以起到磁散射的作用。
然而，随着硅纳米颗粒尺寸的增大，会出现环形偶极模式。在可见光波段，这将导致磁偶极模式发生红移，使得磁偶极模式与无极模式难以重叠。
鉴于此，袁教授团队设计了一种硅壳包裹银核的核壳纳米粒子。利用这种设计，可以改变非极子模式的共振频率，使其在所需波长范围内与磁偶极子模式相匹配。他们还对纳米粒子的几何特性进行了优化，从而制备出这种最佳的非极子探针。
构建好无损探针后，我们利用它评估了由多个紧聚焦光束产生的波导模式的近场分布，以验证所提出技术的有效性。
当成像在探测器屏幕上时，由方位角偏振光束激发的波导模式呈现出鲜明的强度分布。成像结果显示，该模式由许多同心环组成，构成一个圆柱对称的驻波。这是由方位角偏振光束产生的横电（TE）波引起的。这些来自各个方位角方向的TE波相互干涉。在几何中心附近，强度检测结果为零。
通过测量面内磁场，可以以类似于横磁（TM）型表面等离子体激元模式的方式来描述TE波导模式的自旋特性。
使用商业软件对 Ag 核 Si 壳纳米球的散射光谱进行了三维有限差分时域模拟。
讨论与展望
我们设计了一种非极子探针，用于量化各种光子自旋拓扑结构的磁性成分。该探针是一种混合纳米球，由银核和硅壳构成。
在选定的工作波长下，磁偶极共振是主要特征，同时消除了无极模式的电场散射。
首次对TE型倏逝波产生的光子自旋拓扑纹理进行了测量，包括具有各种对称性的单个斯格明子和斯格明子/梅隆晶格。
所提出的方法将有助于研究人员更好地理解与电磁场的磁成分相关的物理过程，同时发展自旋光子学。
