El haz de vórtice con momento angular orbital (OAM) es una herramienta nueva e ideal para excitar selectivamente estados prohibidos del dipolo a través de la absorción óptica lineal. La aparición del haz de vórtice con OAM proporciona oportunidades interesantes para inducir transiciones ópticas más allá del marco de las interacciones de dipolos eléctricos. La característica única surgió de la transferencia de OAM de la luz al material, como se demostró con las transiciones electrónicas en los sistemas atómicos.

En un nuevo informe sobre Avances de la ciencia , T. Arikawa y un equipo de investigadores en física, ingeniería eléctrica y ciencia de materiales celulares en Japón y Canadá, transferencia detallada de OAM a electrones en sistemas de estado sólido. Utilizaron metamateriales para mostrar cómo los modos multipolares de excitaciones electromagnéticas de superficie, también conocido como plasmones superficiales localizados 'spoof', podría inducirse selectivamente a través del haz de vórtice de terahercios. Los plasmones de superficie falsos son un tipo de polaritón de plasmón de superficie (SPP) que normalmente se propaga a través de interfaces dieléctricas y metálicas en frecuencias infrarrojas y visibles. Sin embargo, dado que tales polaritones no pueden ocurrir naturalmente en terahercios o frecuencias de microondas, Los plasmones de superficie falsos requieren metamateriales artificiales para la propagación en tales frecuencias.

Las reglas de selección del estudio se rigen por la conservación del momento angular total, que Arikawa et al. confirmado mediante simulaciones numéricas. La transferencia eficiente del momento angular orbital de la luz a excitaciones elementales a temperatura ambiente en sistemas de estado sólido puede expandir el potencial de manipulación experimental de OAM para construir aplicaciones basadas en OAM, incluyendo memorias cuánticas y sensores basados ​​en OAM.

Las interacciones luz-materia están gobernadas por estructuras espacio-temporales de un campo de luz y mediante funciones de ondas materiales. Los investigadores han utilizado métodos ópticos no lineales como la absorción de dos fotones para excitar selectivamente un modo oscuro específico, en presencia de fuertes fuentes de luz. El OAM (momento angular orbital) proporciona un nuevo método para excitar selectivamente estados prohibidos por dipolos a través de la absorción óptica lineal, mientras se derivan diferentes reglas de selección. Los científicos pueden explorar tal selectividad, en relación con la transferencia OAM de la luz a un material, aunque estas transiciones son muy pequeñas de registrar. En este trabajo, Arikawa y col. investigó electrones en sólidos con funciones de onda extendidas como una plataforma ideal para estudiar las interacciones entre la luz y la materia de los vórtices.

Estudios recientes en el análisis de campos electromagnéticos habían predicho una transferencia de OAM eficiente desde haces de vórtice a plasmones de superficie localizados (LSP) en un disco metálico. Durante las simulaciones, modos multipolares con gran momento angular, es decir, cuadrupolo, hexapolo etc., puede excitarse selectivamente como resultado de la transferencia OAM.

En este trabajo, El equipo mostró experimentalmente excitación selectiva utilizando LSP falsos (un análogo de baja frecuencia de LSP) que puede existir alrededor de la superficie de un disco metálico de textura periódica. Construyeron la estructura de metamaterial para reducir las frecuencias de resonancia al rango de frecuencia de terahercios (THZ) para obtener imágenes no destructivas. La configuración experimental permitió a los científicos visualizar los patrones característicos que rodean el disco corrugado e identificar modos LSP falsos excitados en la muestra. Para visualizar patrones de campo cercano debido a LSP, Arikawa y col. Discos de oro corrugado diseñados en la superficie superior de un cristal detector de terahercios (THZ), para muestrear el campo eléctrico que se formó a unas pocas micras de la estructura metálica. Realizaron los experimentos a temperatura ambiente y obtuvieron cinco instantáneas del campo eléctrico THZ alrededor de la muestra después de la excitación por un haz gaussiano polarizado linealmente.

Imágenes de campo cercano con resolución temporal y análisis de expansión de modo .

Después de que el pulso de terahercios incidente pasó a través de la muestra, el equipo observó una oscilación de campo eléctrico localizada alrededor del círculo exterior de la muestra como una excitación resonante de una parodia de LSP, que representa el patrón de campo eléctrico esperado. El trabajo confirmó la excitación del modo dipolo por el haz de Gauss y que múltiples LSP falsos podrían ser excitados por haces de vórtice. Para ilustrar este punto, Arikawa y col. realizó análisis adicionales centrándose en el campo eléctrico a lo largo del círculo exterior de la muestra para representar el espectro de frecuencia de cada modo LSP. Los resultados mostraron la excitación eficiente y selectiva de modos multipolares basados ​​en el OAM de la luz, permitiendo a los científicos identificar todos los modos LSP falsos excitados en la muestra.

El análisis también reveló la frecuencia de resonancia de cada modo, permitiéndoles dibujar la relación de dispersión, es decir, la relación entre la frecuencia óptica y las constantes de propagación de los modos de polaritón del plasmón de superficie. La relación de dispersión de los LSP falsos dependía de los parámetros geométricos de las estructuras metálicas, proporcionando a los científicos una poderosa herramienta para controlar las frecuencias de resonancia. El equipo realizó experimentos y análisis adicionales en muestras con diversas dimensiones de corrugación para demostrar el control de la frecuencia de resonancia. Los resultados les permitieron deducir las reglas de selección en el sistema para excitar múltiples LSP falsos. Las observaciones respaldaron firmemente que las reglas de selección se regían por la conservación del momento angular total (TAM), que luego el equipo confirmó numéricamente para falsificar LSP utilizando análisis de campo electromagnético similares.

De este modo, T. Arikawa y sus colegas observaron ondas superficiales viajeras con baja dispersión de electrones para permitir un movimiento colectivo coherente de electrones en toda la muestra. La sintonización de frecuencia de la geometría del disco metálico corrugado le permitió ser un receptor OAM muy versátil con frecuencias de amplio rango siempre que la dispersión en la configuración experimental fuera lo suficientemente baja. El equipo espera que el OAM se transfiera a otras excitaciones elementales en sólidos, incluidos los excitones de Rydberg, skyrmions y fonones, aunque necesitarán técnicas de enfoque más allá del límite de difracción en tales casos. El trabajo sobre el intercambio eficiente de OAM entre excitaciones ligeras y elementales en sistemas de estado sólido será fundamental para generar nuevos dispositivos de estado sólido para aplicaciones OAM.

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