В последнее время оптические скирмионы — световые аналоги этих квазичастиц — стали перспективным направлением для разработки передовых оптических систем с уникальными топологическими свойствами.

Существующие методы генерации оптических скирмионов обычно требуют громоздких и сложных установок пространственной модуляции света, что ограничивает их масштабируемость и практическое применение. Хотя были предложены подходы, использующие эванесцентные или магнитные поля, эти методы ограничены оптическими ближними полями, что делает обнаружение сложным, а распространение на большие расстояния в свободном пространстве практически невозможным. Достижение субволновых оптических скирмионов без использования громоздких систем до сих пор остается нерешенной задачей.

Метаволокна для скирмионов с параметрами Стокса

Для решения этой проблемы ученые разработали гибкое метаволоконное устройство, способное генерировать оптические скирмионы с настраиваемыми топологическими текстурами и беспрецедентными субволновыми поляризационными характеристиками. Вдохновленная технологией «лаборатория на волокне», эта метаволоконная платформа включает метаструктуры непосредственно в наконечники волокон, что позволяет создавать структурированные световые поля с точно настраиваемыми топологическими характеристиками.

Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Конструкция метаволокна состоит из одномодового волокна с поддержкой поляризации (PSF), секции расширения и метаповерхности на кончике волокна. Комбинируя ортогонально поляризованные пучки Бесселя (нулевого и первого порядка) с орбитальным угловым моментом (ОУМ), устройство создает скирмионы с параметрами Стокса. Корректировки в конструкции метаповерхности позволяют создавать различные типы скирмионов, включая скирмионы Нееля, Блоха и антискирмионы.

Данная работа открывает новое направление в исследовании оптических скирмионов, объединяя метафотонику и оптоволоконные технологии, предлагая универсальное и ультракомпактное устройство для создания структурированного света. Благодаря способности создавать высококачественные скирмионы с различными топологиями, платформа на основе метаволокна открывает захватывающие возможности для оптических коммуникаций, хранения данных и других областей.

Резюме и перспективы

Оптические скирмионы — это топологические световые структуры с необычными характеристиками. Мы представляем метаволокна как компактные, интегрированные устройства для генерации фотонных скирмионов с различными топологиями и субволновым управлением поляризацией. Эти достижения открывают практический путь к реализации структурированного света для передовых оптических технологий.

В будущих работах могут быть исследованы дополнительные функции, такие как спиновые скирмионы и реконфигурируемые метаповерхности на основе фазовых переходов или двумерных материалов, что еще больше расширит сферу применения топологически спроектированных световых полей.

Применение метаструктурированных волокон подчеркивает трансформационный потенциал изучения структурированного света, электромагнитного спина и сложной топологии светового поля, прокладывая путь к дальнейшему практическому применению оптических скирмионов и других приложений в оптической физике и нанофотонике.

Ранее ученые открыли связанные состояния скирмионов.