Топология структур определяет свойства оптических полей
Метаматериалы и метаоптика предлагают широкие возможности для изучения экзотических функций в физике и оптике. В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Цзе Пэн и группа ученых в области физики и междисциплинарных исследований из Городского университета Гонконга (Китай), обнаружили, как топология структур может определять свойства оптических полей, предлагая новое исследование оптических функций.
Поляризационные особенности, порожденные топологическими структурами. (A–D) Линии C (синий/красный) и линии V (пурпурный/зеленый), созданные металлическими конструкциями (желтые) с эйлеровой характеристикой χ = +2, +4,0, −2. Маленькие пурпурные и зеленые сферы на (D) обозначают точки V, образованные пересечением линий C. (E и F) Эллипсы поляризации и Arg(Ψ) на плоскости для точек C, отмеченных звездочками на (A). Плоскости перпендикулярны локальному спину в точках C. Отрезки эллипсов обозначают главные оси поляризации. Цвета показывают значение Arg(Ψ). Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abq0910
Нетривиальная топология металлических структур способствовала рождению поляризационных сингулярностей, а результаты исследования соединяют сингулярную оптику, топологическую фотонику и неэрмитову физику для приложений кирального зондирования, квантовой оптики и фотоники.
Универсальная связь между топологией и оптическими структурами
Концепция топологии может предоставить физикам новые перспективы для изучения нетрадиционных свойств односторонних краевых состояний в топологических изоляторах и их аналогах. Распределение эллипсов поляризации может образовывать топологические дефекты, известные как особенности поляризации, которые возникают во время таких приложений, как фокусировка света, рассеяние и интерференция в наноструктурах, включая метаповерхности и фотонные кристаллы. Геометрия оптических структур все еще может определять локальный резонанс оптических мод, что приводит к появлению новых оптических устройств, включая наноантенны, метаматериалы и метаповерхности.
Эффект сингулярных ребер. (A и B) Линии C, образованные сферой с острым круглым краем и со сглаженным острым краем соответственно. (C и D) Линии C, образованные сферой с острым неровным краем (созданным путем удаления цилиндрической части сферы) и со сглаженным острым краем соответственно. В (A), (B) и (D) есть две линии C и четыре линии C в (C). Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abq0910
В этой работе Peng et al. установил универсальную и точную связь между топологией и оптическими структурами, чтобы показать, как происхождение и топологическая эволюция магнитной поляризации в ближних полях были связаны с топологией и симметрией структур.
Поляризационные особенности, защищенные поверхностной топологией структур
Команда провела полноволновое численное моделирование системы с помощью пакета конечных элементов в COMSOL Multiphysics. В ходе экспериментов они рассматривали металлический шар, на который падала плоскость, распространяющаяся в направлении z, с магнитным полем, линейно поляризованным в направлении y. Затем они определили поляризационные особенности, возникающие в полном магнитном поле.
Топологический переход PSL. (A к D) Топологический переход PSL, когда две сферы постепенно разделяются. Случайная линия V в промежутке разветвляется на две линии C (обозначенные как 3 и 4), которые затем сливаются с остальными линиями C (обозначенными как 1 и 2), чтобы обеспечить топологический переход. (от E до H) Arg(Ψ) на плоскости зеркала yz при различных расстояниях между сферами, соответствующими от (A) до (D). Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abq0910
Пэн и его команда также стремились понять основную основу морфологии PSL, которую они обнаружили в топологических свойствах, связанных с геометрией металлических сфер. Например, возбуждение падающим электромагнитным полем индуцированных токов в металлоконструкциях, преимущественно локализованных в тонком поверхностном слое конструкций. В результате исследования установлена прямая связь между топологией оптических структур и топологическими свойствами оптических ближних полей, применимых для произвольных металлических конструкций с гладкими геометрическими поверхностями и малой толщиной скин-слоя. Возникновение поляризационных особенностей было дополнительно защищено топологией структур; следовательно, их свойства были устойчивы к постоянным изменениям геометрических структур.
V точек из-за зеркальной симметрии. (A) Точка V1 из-за пересечения двух линий C с Ipl = +1/2. (B) Точка V2 из-за пересечения двух линий C с Ipl = −1/2. Синий (красный) цвет эллипсов поляризации соответствует отрицательному (положительному) спину. Цвета на плоскости зеркала xz в точках V показывают Arg(Ψ). Розовые стрелки на (A) и (B) обозначают главные оси поляризации на самозеркальной симметричной петле, показывая ленту Мёбиуса с двойным поворотом. Желтые стрелки показывают направления линий C. Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abq0910
Топология и зеркальная симметрия против топологии и обобщенной вращательной симметрии
Ученые отметили дальнейшее развитие поляризационных сингулярностей по мере того, как они удалялись от поверхности структур, сливаясь, раздваиваясь и переходя в трехмерное пространство. Команда исследовала топологические переходы сингулярностей поляризации и дополнительно изучила свойства сингулярностей поляризации, обсудив комбинированные эффекты зеркальной симметрии и топологии.
Результаты исследования подчеркнули важность пространственной симметрии для создания топологически сложных поляризационных конфигураций, которые не могли бы стабильно существовать в условиях несимметрии. Исследователи отметили, что сингулярности поляризации более высокого порядка и линии сингулярности поляризации обычно были нестабильны без защиты симметрии и трансформировались в низший порядок под действием возмущений.
Линии C более высокого порядка из-за обобщенной вращательной симметрии. (A и B) C-линии более высокого порядка с индексом Ipl = +1, порожденные сферой и тором соответственно. (C и D) C-линии более высокого порядка, генерируемые торической связью с вращательной симметрией C4. Нексус тора удален на (D), чтобы можно было ясно увидеть внутреннюю структуру линий C. Зелеными кружками отмечены четыре точки C с Ipl = −1 на поверхности нексуса тора. Другие точки C вне центральной оси имеют индекс Ipl = -1/2 (синий) и Ipl = +1/2 (красный). На вставке показано увеличение центральных линий C, где желтые стрелки показывают направления линий C. (E и F) Эллипсы поляризации и Arg(Ψ) для точки C в центре нексуса тора и точки C, отмеченной крайним левым зеленым кружком на (D) соответственно. Кредит: Научные достижения(2022). DOI: 10.1126/sciadv.abq0910
Перспектива
Таким образом, Цзе Пэн и его коллеги показали прямую связь между топологией металлических структур и линиями сингулярности магнитной поляризации в ближнем поле. Исследование выявило экзотические топологические свойства полей оптической поляризации, которые не имеют отношения к конкретному материалу или геометрии оптических структур. Результаты связаны с поляризационными сингулярностями, а также с топологической симметрией структур и неэрмитовой физикой.
Исследование открывает новые возможности для фундаментальных исследований в области обнаружения хиральных аналогов для сенсорных приложений в хиральной квантовой оптике и топологической фотонике. Команда предполагает распространить эти результаты на классические волновые системы, включая звуковые волны и волны на поверхности воды.
