Рис. 1: Художественное изображение метаволокон, генерирующих оптические скирмионы с настраиваемыми топологическими текстурами.
Авторы и права: Юань Мэн, Тяньтянь Хэ, Ицзе Шен, Цижун Сяо

Существующие методы генерации оптических скирмионов обычно требуют громоздких и сложных установок пространственной модуляции света, что ограничивает их масштабируемость и практическое применение. Существующие методы генерации ограничены оптическими ближними полями, что делает сложным обнаружение скирмионов, а распространение в свободном пространстве на большие расстояния практически невозможным.

Учёные разработали гибкое метаволоконное устройство, способное генерировать оптические скирмионы с настраиваемыми топологическими текстурами и беспрецедентными характеристиками субволновой поляризации (рис. 1). Эта метаволоконная платформа включает метаструктуры непосредственно на кончиках волокна, что позволяет создавать структурированные световые поля с точно настраиваемыми топологическими характеристиками. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Рис. 2: Принципиальная схема возбуждения скирмионов из метаволокна. Трехмерная интенсивность (I) и векторное распределение скирмиона возбуждения показаны после выхода из метаволокна. Sz: z-компонент вектора Стокса, PSF: одномодовое волокно с сохранением поляризации, λ: длина волны света.
Вставка:
(а) Принцип построения скирмиона, состоящего из пучка Бесселя нулевого порядка и пучка Бесселя первого порядка при ортогональной левой круговой поляризации (LCP) и правой круговой поляризации (RCP).
(b-d) Свойства возбужденного скирмиона.
(b) Эллиптическое распределение поляризации с напряженностью электрического поля под ним.
(c) Распределение поляризации Стокса в оттенках цветов.
(d) Единичная сфера Стокса Пуанкаре цвета оттенка-яркости (HL).
Авторы и права: Тяньтянь Хэ и др., Оптические скирмионы из метаволокон с субволновыми характеристиками, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-54207-z

Как показано на рис. 2, конструкция метаволокна включает одномодовое волокно с сохранением поляризации (PSF), расширительную секцию и метаповерхность на кончике волокна. Комбинируя ортогонально поляризованные пучки Бесселя (нулевого и первого порядка) с орбитальным угловым моментом (ОУМ), устройство производит стоксовы скирмионы. Корректировки конструкции метаповерхности позволяют создавать различные типы скирмионов, включая Неель-, Блох- и антискирмионы.

Эта работа может открыть новый путь в исследованиях оптического скирмиона, объединяя метафотонику и технологию оптического волокна, предлагая универсальное и сверхкомпактное устройство для создания структурированного света. Благодаря способности создавать высококачественные скирмионы с разнообразной топологией платформа метаволокна открывает захватывающие возможности для оптической связи, хранения данных и многого другого.

В будущих работах могут быть изучены дополнительные функциональные возможности, такие как спиновые скирмионы и реконфигурируемые метаповерхности, основанные на фазовом изменении или двумерных материалах, что еще больше расширит сферу применения топологически спроектированных световых полей.