O feixe de vórtice com momento angular orbital (OAM) é uma ferramenta nova e ideal para excitar seletivamente estados proibidos de dipolo por meio de absorção óptica linear. O surgimento do feixe de vórtice com OAM oferece oportunidades intrigantes para induzir transições ópticas além da estrutura das interações de dipolo elétrico. O recurso exclusivo surgiu da transferência de OAM da luz para o material, conforme demonstrado com as transições eletrônicas em sistemas atômicos.

Em um novo relatório sobre Avanços da Ciência , T. Arikawa e uma equipe de pesquisadores em física, engenharia elétrica e ciência de materiais celulares no Japão e no Canadá, transferência detalhada de OAM para elétrons em sistemas de estado sólido. Eles usaram metamateriais para mostrar como os modos multipolares de excitações eletromagnéticas de superfície, também conhecido como "spoof" de plasmons de superfície localizados, poderia ser induzido seletivamente através do feixe de vórtice terahertz. Plasmões de superfície falsos são um tipo de polariton de plasmão de superfície (SPP) que normalmente se propaga através de interfaces dielétricas e metálicas em frequências infravermelhas e visíveis. Contudo, uma vez que tais polaritons não podem ocorrer naturalmente em terahertz ou frequências de microondas, Os plasmons de superfície falsos requerem metamateriais artificiais para propagação em tais frequências.

As regras de seleção do estudo foram regidas pela conservação do momento angular total, que Arikawa et al. confirmada por meio de simulações numéricas. A transferência eficiente de momento angular orbital leve para excitações elementares à temperatura ambiente em sistemas de estado sólido pode expandir o potencial de manipulação experimental de OAM para construir aplicações baseadas em OAM, incluindo memórias quânticas e sensores baseados em OAM.

As interações luz-matéria são governadas por estruturas espaço-temporais de um campo de luz e por meio de funções de onda material. Os pesquisadores usaram métodos ópticos não lineares, como a absorção de dois fótons para excitar seletivamente um modo escuro específico, na presença de fontes de luz fortes. O OAM (momento angular orbital) fornece um novo método para excitar seletivamente estados proibidos por dipolo por meio de absorção óptica linear, enquanto deriva diferentes regras de seleção. Os cientistas podem explorar essa seletividade, em relação à transferência OAM da luz para um material, embora essas transições sejam muito pequenas para registrar. Nesse trabalho, Arikawa et al. investigou elétrons em sólidos com funções de onda estendidas como uma plataforma ideal para estudar interações de vórtice luz-matéria.

Estudos recentes em análise de campo eletromagnético previram transferência OAM eficiente de feixes de vórtice para plasmons de superfície localizados (LSPs) em um disco metálico. Durante as simulações, modos multipolares com grande momento angular, ou seja, quadrupolo, hexapolo, etc, pode ser seletivamente excitado como resultado da transferência OAM.

Nesse trabalho, a equipe experimentalmente mostrou excitação seletiva usando spoof LSP (um análogo de baixa frequência de LSP) que pode existir ao redor da superfície de um disco metálico periodicamente texturizado. Eles construíram a estrutura do metamaterial para trazer as frequências de ressonância até a faixa de frequência terahertz (THZ) para imagens não destrutivas. A configuração experimental permitiu aos cientistas visualizar os padrões característicos em torno do disco corrugado e identificar modos LSP falsificados excitados na amostra. Para visualizar padrões de campo próximo devido a LSPs, Arikawa et al. discos de ouro corrugados projetados na superfície superior de um cristal detector de terahertz (THZ), para amostrar o campo elétrico que se formou a alguns mícrons de distância da estrutura metálica. Eles realizaram os experimentos em temperatura ambiente e obtiveram cinco instantâneos do campo elétrico THZ ao redor da amostra após a excitação por um feixe gaussiano linearmente polarizado.

Imagem de campo próximo com resolução temporal e análise de expansão de modo .

Depois que o pulso de terahertz incidente passou pela amostra, a equipe observou uma oscilação de campo elétrico localizada em torno do círculo externo da amostra como uma excitação ressonante de spoof LSP, representando o padrão de campo elétrico esperado. O trabalho confirmou a excitação do modo dipolo pelo feixe gaussiano e que múltiplos spoof LSPs podem ser excitados por feixes de vórtice. Para ilustrar este ponto, Arikawa et al. realizaram análises adicionais focalizando o campo elétrico ao longo do círculo externo da amostra para representar o espectro de frequência de cada modo LSP. Os resultados mostraram a excitação eficiente e seletiva de modos multipolares baseados no OAM de luz, permitindo que os cientistas identifiquem todos os modos LSP falsos excitados na amostra.

A análise revelou adicionalmente a frequência de ressonância de cada modo, permitindo-lhes traçar a relação de dispersão, isto é, a relação entre a frequência óptica e as constantes de propagação dos modos de polariton do plasmon de superfície. A relação de dispersão do spoof LSPs dependia dos parâmetros geométricos das estruturas metálicas, fornecendo aos cientistas uma ferramenta poderosa para controlar as frequências de ressonância. A equipe realizou experimentos e análises adicionais em amostras com diversas dimensões de ondulação para demonstrar o controle da frequência de ressonância. Os resultados permitiram deduzir as regras de seleção no sistema para excitar vários LSPs falsos. As observações apoiaram fortemente que as regras de seleção eram governadas pela conservação do momento angular total (TAM), que a equipe então confirmou numericamente para LSPs falsificados usando análises de campo eletromagnético semelhantes.

Desta maneira, T. Arikawa e colegas observaram ondas de superfície viajando com baixo espalhamento de elétrons para permitir o movimento coletivo coerente dos elétrons em toda a amostra. A sintonia de frequência da geometria do disco metálico corrugado permitiu que ele fosse um receptor OAM muito versátil com ampla faixa de frequências, desde que o espalhamento na configuração experimental fosse suficientemente baixo. A equipe espera que o OAM se transfira para outras excitações elementares em sólidos, incluindo excitons de Rydberg, skyrmions e fônons, embora eles precisem de técnicas de foco além do limite de difração em tais casos. O trabalho sobre a troca OAM eficiente entre excitações leves e elementares em sistemas de estado sólido será fundamental para gerar novos dispositivos de estado sólido para aplicações OAM.

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