Fig 1: Imagen artística de metafibras que generan skyrmions ópticos con texturas topológicas configurables. Crédito: Yuan Meng, Tiantian He, Yijie Shen, Qirong Xiao
skyrmionsreconocidas por sus intrincadas configuraciones de espín, han cautivado a los investigadores como cuasipartículas topológicas con un gran potencial en el almacenamiento de datos y la tecnología de la información. Recientemente, skyrmions ópticos(contrapartes luminosas de estas cuasipartículas) han surgido como una vía prometedora para desarrollar sistemas ópticos avanzados con propiedades topológicas únicas.
Los métodos existentes para generar skyrmions ópticos suelen requerir configuraciones de modulación de luz espacial complejas y voluminosas, lo que limita su escalabilidad y su implementación práctica. Si bien se han propuesto enfoques que utilizan campos magnéticos o evanescentes, estos métodos se limitan a campos cercanos ópticoslo que hace que la detección sea un desafío y la propagación en el espacio libre a larga distancia sea casi imposible. Lograr proyecciones ópticas por debajo de la longitud de onda sin depender de sistemas engorrosos ha sido un desafío persistente hasta ahora.
Metafibras para skyrmions de Stokes
Para abordar este desafío, desarrollamos un dispositivo de metafibra flexible capaz de generar skyrmions ópticos con texturas topológicas personalizables y características de polarización de sublongitud de onda sin precedentes (Fig. 1). Inspirada en la tecnología de laboratorio sobre fibra, esta plataforma de metafibra incorpora metaestructuras directamente sobre las puntas de las fibras, lo que permite la creación de campos de luz estructurados con características topológicas precisamente ajustables. Nuestro estudio es publicado en el diario Comunicaciones de la naturaleza.
Fig 2: El diagrama esquemático de la excitación de los skyrmions a partir de la metafibra. La intensidad 3D (I) y la distribución vectorial del skyrmion de excitación se muestran después de salir de la metafibra. Sz: componente z del vector de Stokes, PSF: fibra monomodo que mantiene la polarización, λ: longitud de onda de la luz. Recuadro: (a) El principio de construcción de skyrmion, compuesto por un haz de Bessel de orden cero y un haz de Bessel de primer orden bajo polarización circular izquierda (LCP) ortogonal y polarización circular derecha (RCP). (bd) Las propiedades del skyrmion excitado. (b) La distribución de polarización elíptica con una intensidad de campo eléctrico inferior. (c) Distribución de polarización de Stokes de color tono. (d) Esfera de Stokes Poincaré unitaria de color luminosidad (HL). Crédito: Tiantian He et al, Skyrmions ópticos de metafibras con características de sublongitud de onda, Comunicaciones de la naturaleza (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-54207-z
Como se ilustra en la Fig. 2, el diseño de metafibra comprende una fibra monomodo (PSF) que mantiene la polarización, una sección de expansión y una metasuperficie en la punta de la fibra. Al combinar haces de Bessel polarizados ortogonalmente (de orden cero y de primer orden) con momento angular orbital (OAM), el dispositivo produce skyrmions de Stokes. Los ajustes al diseño de la metasuperficie permiten la creación de varios tipos de skyrmion, incluidos Néel-, Bloch- y anti-skyrmions.
Este trabajo puede proporcionar una nueva vía en la investigación del skyrmion óptico al combinar la metafotónica y la tecnología de fibra óptica, ofreciendo un dispositivo versátil y ultracompacto para crear luz estructurada. Con su capacidad para producir skyrmions de alta calidad con diversas topologías, la plataforma de metafibra abre posibilidades interesantes para las comunicaciones ópticas, el almacenamiento de datos y más.
Resumen y perspectivas
Los skyrmions ópticos son estructuras ligeras topológicas con características extraordinarias. Presentamos las metafibras como dispositivos compactos e integrados para generar skyrmions fotónicos con topologías de diseño y control de polarización por debajo de la longitud de onda. Estos avances ofrecen un camino práctico para realizar luz estructurada para tecnologías ópticas avanzadas.
El trabajo futuro puede explorar funcionalidades adicionales, como spin skyrmions y metasuperficies reconfigurables impulsadas por cambio de fase o materiales 2Dampliando aún más el alcance de los campos de luz diseñados topológicamente.
La aplicación de fibras metaestructuradas resalta el potencial transformador de la exploración de la luz estructurada, el espín electromagnético y la topología sofisticada del campo de luz, allanando el camino para futuras aplicaciones prácticas de skyrmions ópticos y otras aplicaciones en física óptica y nanofotónica.
Esta historia es parte de Diálogo Ciencia Xdonde los investigadores pueden informar los resultados de sus artículos de investigación publicados. Visita esta pagina para obtener información sobre Science X Dialog y cómo participar.
Más información:
Tiantian He et al, Skyrmions ópticos de metafibras con características de longitud de onda inferior, Comunicaciones de la naturaleza (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-54207-z
Yuan Meng, recibió un doctorado en Ingeniería Óptica en la Universidad de Tsinghua y actualmente es asociado postdoctoral en la Universidad de Washington en St Louis.
Citación: El dispositivo de metafibra flexible puede generar skyrmions ópticos con texturas topológicas de diseño y características de sublongitud de onda (2024, 9 de diciembre) recuperado el 10 de diciembre de 2024 de https://phys.org/news/2024-12-flexible-metafiber-device-generate-optical. HTML
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