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研究人员首次观察了由超光滑的金血小板上的光形成的等离子体的动力学

研究人员首次观察了由超光滑的金血小板上的光形成的等离子体的动力学

龙卷风的破坏力来自于其中心极高的旋转速度,这种速度被称为涡旋。令人惊讶的是,类似的效应也被预测为光沿着原子光滑的金表面传播,它可以表现出角动量和漩涡。斯图加特大学、杜伊斯堡-埃森大学和澳大利亚墨尔本大学的研究人员现在首次成功地在纳米尺度上拍摄到了这些被称为“天空粒子”的涡旋模式。《科学》杂志在其2020年4月24日的期刊上报道了这项开创性的工作。

当一个花样滑冰运动员开始旋转并抬起手臂时,由于角动量的守恒,她会越来越快地绕着自己的轴旋转。在炎热的夏天,同样的旋转效应会产生所谓的“尘暴”,即在美国,小型旋风是由热空气形成的,它也给大型龙卷风带来了毁灭性的力量。20世纪60年代,物理学家托尼·斯凯姆(Tony Skyrme)在拓扑学领域对这种涡旋进行了详细研究。这些模式以其发现者的名字命名为skyrmions。

纳米金表面的光在原子层面上是光滑的,它也有一种角动量,因此可以形成漩涡。然而,在这种情况下,漩涡只有几百纳米大小,而这些纳米风暴的中心只有几纳米大小。因此,还没有人能够测量出这些漩涡的确切方位。观察涡旋动力学也是不可能的,因为光绕涡旋一周的时间只有几飞秒(万亿分之一毫秒)。

在一项突破性的实验中,来自斯图加特大学、杜伊斯堡-埃森大学和澳大利亚墨尔本大学的一组研究人员首次成功地在纳米尺度上拍摄了这种由光构成的等离子体skyrmion。研究人员能够在三维空间中记录光的电场和磁场的方向,甚至测量光的动力学。来自墨尔本的理论物理学家蒂姆·戴维斯在IQST量子中心的支持下访问了斯图加特和杜伊斯堡,他计算了所需的波长、纳米结构的最佳形状以及金血小板的精确厚度。他预测了光漩涡的常规阵列(称为skyrmion晶格)的行为。

研究人员首次观察了由超光滑的金血小板上的光形成的等离子体的动力学

斯图加特大学第四物理研究所哈拉尔德·吉森研究组的贝蒂娜·弗兰克用一种新开发的方法制造出纳米范围内厚度可调节的原子光滑的金血小板。非常平坦的硅晶圆被用作基板。用高精度金离子束对金血小板进行纳米结构处理。当用仔细计算出的红外波长的激光脉冲辐射时,就可以产生整个的skyrmion光阵列,即所谓的等离子体skyrmion。

矢量动力学的测量,即。德国杜伊斯堡-埃森大学(University of Duisburg-Essen)的弗兰克·梅耶·祖·赫林多夫(Frank Meyer zu Heringdorf)团队进行了一项特别设计的新实验,成功地实现了等离子体光场的三维排列及其时间行为。博士生Pascal Dreher和David Janoschka将800纳米波长的激光脉冲发送到带有纳米结构的金血小板上,脉冲持续时间只有13飞秒。爱因斯坦因这种光电效应获得了诺贝尔奖,它使电子从金样品中喷射出来,然后用电子显微镜进行测量。将几种不同光偏振的激光脉冲巧妙地组合在一起,重复多次实验,通过投影确定光场的矢量分量。

通过将两个激光脉冲一个接一个地发射到样品上,可以激发纳米级的光龙卷风,然后用超短激光脉冲探测,这样在大约一个晚上的时间内,就可以记录下这些光漩涡的整个纳米膜。

来自斯图加特的哈拉尔德·吉森相信,在这项研究的基础上,将来有可能制造出新型的显微镜,这种显微镜可以利用光产生比目前更小的结构。“轨道角动量和矢量特性的结合导致了纳米范围内的等离子体涡旋结构,甚至在线性光学中也是如此,”他报告说。“在各种边界条件下,也可以通过实验观察时间分辨的skyrmion物理。”

这种skyrmion场及其轨道角动量与半导体(例如原子厚度的二维材料)中相邻粒子的相互作用将特别令人兴奋。“由于我们的新型Raith离子束光刻机,我们几乎有无限的可能性来生成不同的拓扑纳米结构,并使用杜伊斯堡纳米照相机研究它们的skyrmion动力学。”

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