近日，暨南大学邓子岚教授、李向平教授团队与纽约市立大学Andrea Alù教授团队合作，通过空间卷曲超构基元结构，构建了具有任意形态特性的局域表面等离激元斯格明子，为开发新型电磁场拓扑态、拓扑超构表面等提供了契机。相关成果以“Observation of localized magnetic plasmon skyrmions”为题，发表于《Nature Communications》上。
斯格明子（Skyrmion）是一种局域在二维平面的三维拓扑矢量场，它存在于基本粒子、玻色爱因斯坦凝聚态、向列相液晶、手性磁铁等多种物理体系。斯格明子具有多种形式，包括初级斯格明子（Elementary Skyrmion）、 嵌套斯格明子（skyrmionium），半子（Meron），Target斯格明子（Target Skyrmion）等，它们分别具有整数或半整数的拓扑荷（Skyrmion number）。斯格明子作为一种具有拓扑特性的准粒子，有望成为具有高速度、高密度特点的高效信息载体，对下一代信息处理、存储、传输技术革新具有重要意义。近年来，人们进一步在光学领域发现了斯格明子，通过表面波多光束干涉、特殊矢量光束激发涡旋表面波等复杂光场重构方式，在实验上首次实现了基于电场矢量[Science 361(6406), 993-996 (2018)]、自旋态矢量[Nat. Phys. 15(7), 650-654 (2019)]的表面等离激元斯格明子，为光场/电磁场调控提供了新型拓扑态自由度。然而，基于光场重构方式构建的光学表面波斯格明子强烈依赖于特定的外部激发方式；仅能在单一频率上实现规则形态的斯格明子；且其产生装置庞大、难以实现按需操控。
本研究工作采用超构基元结构构建局域表面等离激元斯格明子本征模式，不依赖于特定的庞大外场激发方式；能够按需构建任意形态、梳状频率分布、多种类型的斯格明子，为研究和操控光学斯格明子提供了新的途径。
图 1. 任意形态局域表面等离激元斯格明子示意图。空间卷曲超构基元结构支持梳状响应频率的多阶局域表面等离激元磁本征模式，每个模式对应着不同阶次的Target斯格明子。其模式形态可以根据空间卷曲基元结构的形状按需设计（如这里的圆形与心形）。
本研究工作采用如图1所示的空间卷曲金属线超构基元结构。该结构可等效为一个空间卷曲波导，在相同结构尺寸下，空间卷曲结构的等效波导长度越长，共振波长越长，从而能将电磁波模式局域在深度亚波长范围内。多阶模式的共振频率呈类似于回音壁模式的等距的梳状分布，但不同于回音壁模式模场节点呈纯角向分布的特点，此空间卷曲超构基元的模场节点呈纯径向分布，如图2所示。
图2. 二维空间卷曲基元结构的共振散射特性。（a）二维空间卷曲基元结构的散射截面谱及模场分布。（b-e）模场分布截面图、共振频率、场增强系数随模式阶数、卷曲圈数(nr)的变化规律。
该研究工作进一步在微波波段对空间卷曲超构基元的所支持的矢量局域模式进行了实验测量，如图3所示，通过凌波近场（LINBOU NEARFIELD）微波扫描系统，对样品的近场局域模式的全偏振分量、全空间分布进行了逐点测量。实验测得的多阶模式的矢量模场分布均与理论计算结果表现一致，通过模场分布提取的斯格明子数均为整数1（奇模式）或0（偶模式），符合Target斯格明子的基本特征。值得一提的是，之前的研究工作均无法对光学斯格明子矢量场三个分量的空间分布做直接重构，仅能通过单个[Science 361(6406), 993-996 (2018)]或两个场分量[Science 368(6489), eaba6415 (2020)]的实验表征结果理论间接推算另两个或一个场分量的空间分布；而本研究工作则完全通过实验直接表征斯格明子矢量场的全部分量，首次实现对斯格明子全矢量场的直接观测。
图3. 对局域表面等离激元斯格明子的实验观测。（a，b）空间卷曲超构基元的样品图、空间矢量场探测实验装置；（c）实验测得的模式响应谱与理论结果的对比；（d）竖直截面上的模场分布图：实验测量(Exp.)与理论计算(Sim.)结果对比；（e）水平截面上的模场分布图：实验测量与理论计算结果对比。
作为一类具有拓扑特性的矢量场空间分布，其实空间拓扑不变性并未在基于光场重构的光学斯格明子中得到展现。本研究工作的斯格明子本征模式，则可以通过连续变化空间卷曲超构基元的形状，获得任意形态的斯格明子，如图4所示。所支持的局域表面等离激元的矢量模场分布会自动适应超构基元的轮廓形状，表现出各式各样的形态模式（图4b）。矢量场分布形态的不一样，导致其斯格明子密度分布千差万别，密度峰值倾向于集中在曲率较大的角落（如图4c）。对这些斯格明子密度进行积分，所得到的斯格明子数均为整数1，从而验证了该矢量模场分布在实空间的拓扑不变特性。
图4. 多种不同形态（包括圆形、六边形、正方形、三角形、椭圆形、非对称心形）的空间卷曲基元结构及其支持的斯格明子模式。（a）多种形态的空间卷曲基元结构；（b）多种形态的斯格明子矢量模场分布；（c）对应的多种形态斯格明子密度分布，对其积分所得的拓扑荷数均为1。
综上，该研究工作基于空间卷曲超构基元设计并实现了任意形态的局域表面等离激元斯格明子。该斯格明子基于超构基元的本征模式，偏振态与强度分布均处于深度亚波长范围，无需以往依赖的特定外场激发，产生方式更为简单易行。首次展示了等距梳状频率分布、任意形态的多阶Target斯格明子，为按需设计拓扑电磁场开辟了新途径。超构基元可以进一步排列成一定形式的阵列结构，为设计新型光场调控超构表面提供了新载体。另外，斯格明子继续从表面波形式向自由空间波[Nat. Commun. 12(1), 5891 (2021)]形式、声波形式[Phys. Rev. Lett. 127(14), 144502 (2021)]发展，为开发新型矢量场拓扑态提供了新平台。
暨南大学邓子岚教授、李向平教授和纽约市立大学Andrea Alù教授为论文的共同通讯作者，邓子岚教授为第一作者，暨南大学是第一单位和第一通信单位。
该研究得到了国家自然科学基金、广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队项目、广东省基础与应用基础基金项目等的支持。
https://www.nature.com/articles/s41467-021-27710-w
Zi-Lan Deng, Tan Shi, Alex Krasnok, Xiangping Li, and Andrea Alù, "Observation of localized magnetic plasmon skyrmions," Nat. Commun. 13(1), 8 (2022). DOI: 10.1038/s41467-021-27710-w
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