声子-极化激元斯格明子：从泡型到奈尔型的转变

《Light-Science & Applications》：Phonon-polaritonic skyrmions: transition from bubble- to Néel-type

　　

摘要 光学斯格明子属于新兴的拓扑固体物理和光子学分支，可通过光-物质相互作用实现对光拓扑结构的调控。然而，在纳米光子学中，其实际应用因等离子体材料的高固有损耗而受到严重限制，导致不同拓扑性质之间缺乏可调谐性。本研究利用碳化硅（SiC）薄膜的强色散特性，实现了高度局域的表面声子极化激元（SPhP）斯格明子晶格，并通过近场显微镜对其成像。研究人员通过实验演示了泡型与奈尔型（Néel-type）斯格明子之间的拓扑调谐，这是极性电介质相较于大多数现有方法的独特优势。仅改变10%的激发波长即可切换斯格明子类型，这通过斯格明子数密度对比度的分析得以揭示。类比磁性材料对畴壁尺寸和陡度的分析也证实了这一转变。本研究结果为进一步研究声子系统中的其他拓扑特征（如半子、斯格明子袋及其他复杂结构光场）奠定了基础。此外，未来可能观察到由于声子非谐性导致的强光-物质杂化和非线性效应，从而可能引领发现极化激元斯格明子-斯格明子相互作用，并最终应用于基于拓扑的信息处理。

一、 研究背景、问题与意义

拓扑缺陷以其在小扰动和晶格连续形变下表现出的卓越稳定性和鲁棒性为特征，近年来在物理学众多领域变得高度相关，涵盖宇宙学、流体力学、磁学、光子学、液晶、储层计算和扭转电子学等。斯格明子（skyrmion）作为一种特殊的拓扑缺陷，最初由Tony Skyrme在粒子物理背景下提出，是矢量场在三维空间中连续非平凡扭转的构型，由其拓扑荷（或缠绕数）表征。斯格明子在凝聚态物理，特别是磁学领域备受关注，并在弹性波、混合平台及光子学中得到探索。

在光子学领域的突破性进展中，斯格明子的概念被扩展至光学领域。通过薄金膜中表面等离激元极化激元（SPPs）的干涉，生成了光学斯格明子六角晶格。光学斯格明子可实现鲁棒的光-物质相互作用、抗扰动的稳定性，并为拓扑光子功能提供新机遇。此前实验中观察到的场结构对应于泡型（bubble-type）斯格明子，其面内电场几乎完全消失。理论上，通过显著增强倏逝表面波的局域性，也可以产生奈尔型（Néel-type）斯格明子，但在金等材料中，由于在强局域区域内存在高损耗，这一构想未能实现。因此，实现拓扑性质（特别是在不同斯格明子类型之间）的可调谐，一直是光学领域长期追求的目标。当前方法主要依赖于金属中通过激发表面等离激元极化激元（SPP）来调控拓扑性质，但大多数金属在高色散区域通常伴随着高损耗，这极大地限制了可调谐性及实际拓扑性质的实现。

近期研究在弹性波系统中展示了声子斯格明子的存在，但尚未实现对这些拓扑特征的精确光学调谐及其在纳米尺度的构建。针对这些问题，本研究引入了极性电介质中声子-极化激元斯格明子的新概念。碳化硅（SiC）是一种极性半导体，在其剩余射线带内介电常数为负，表现出类似金属的行为，并在此波段内具有极强的亚线性色散，可实现极大的波矢调谐范围。当满足面内动量匹配条件时，光子可耦合到材料中，产生表面声子极化激元（SPhP），这是一种沿界面传播的电磁表面模式，类似于表面等离激元极化激元，但耦合对象是晶格振动（声子）而非电荷振荡（等离激元）。利用SiC薄膜的强色散特性，本研究旨在实现并表征从泡型到奈尔型斯格明子的连续转变，从而克服等离子体材料的固有局限，为拓扑光子学和未来信息处理应用开辟新途径。本研究成果发表于《Light-Science & Applications》。

二、 主要关键技术方法

本研究主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   样品制备：使用电子束光刻和电子束沉积技术在200 nm厚的自由悬浮SiC薄膜上制作特定设计的铬（Cr）脊形结构。这些结构作为激发器，用于在圆偏振光垂直入射下激发表面声子极化激元（SPhP）。
2. 2.
   近场光学成像：采用相位分辨的散射式扫描近场光学显微镜（s-SNOM）在透射模式下进行测量。该技术利用尖锐的探针与局部近场相互作用，并将信号散射至远场被检测，实现了远超衍射极限的空间分辨率，能够解析光学斯格明子的亚波长特征。研究中通过伪外差探测结合高阶解调技术，提取出与面外电场E_z成正比的近场信号的振幅和相位。
3. 3.
   理论模拟与分析：基于惠更斯波原理模拟了SPhP斯格明子晶格的形成。利用从s-SNOM测量得到的E_z分量，结合高斯定律关联的面内与面外电场及波矢关系，重构了三维电场矢量场。通过计算斯格明子数密度、斯格明子数密度对比度、畴壁陡度及畴壁尺寸等参量，对斯格明子的拓扑性质进行了定量表征和分析。

三、 研究结果

1. SPhP斯格明子晶格的产生、调谐与近场探测

研究人员在SiC膜上设计了六角形铬结构，在圆偏振光照射下激发六束SPhP波，使其在结构中心发生相长干涉，形成斯格明子晶格。通过改变激发激光的波数（频率），利用SiC在剩余射线带内的强色散特性，可大幅改变SPhP的面内波矢，从而调谐斯格明子的拓扑性质。s-SNOM测量获取的面外电场E_z图像显示，系统能够产生由多个斯格明子构成的六角晶格。

2. 通过不同激发波长模拟SPhP斯格明子

对不同波长的模拟显示，斯格明子类型的转变完全源于面内电场与面外电场之比的改变。随着激发波数增加（面内电场增强），电场矢量的极角变化更为平缓，导致畴壁尺寸增大。对应的斯格明子数密度分布从泡型的环状结构连续转变为奈尔型的齿轮状结构，直观地展示了拓扑性质的演变。

3. 从泡型到奈尔型SPhP斯格明子晶格转变的实验测量

实验测量结果与模拟高度吻合。在830 cm^-1、850 cm^-1和900 cm^-1三个波数下获得的E_z、极角θ和斯格明子数密度s的图像清晰地展示了连续转变过程。830 cm^-1时，s呈环状高密度分布，极角在径向急剧变化，表现为泡型特征；随着波数增大，s分布逐渐“弥散”，在单元胞边缘出现负值区域，极角变化趋于平滑，畴壁特征明显，在900 cm^-1时表现出典型的奈尔型拓扑。所有测量中每个斯格明子的拓扑荷（斯格明子数S）均接近1，证实了其拓扑稳定性。

4. 比较用于研究从泡型到奈尔型斯格明子转变的优值（FOM）

为定量表征转变，研究人员对比了斯格明子数密度对比度、逆畴壁陡度和畴壁尺寸三个优值。其中，为避免实验数据中异常值的影响，对斯格明子数密度对比度的计算采用了第5和第95百分位数代替极值。实验数据与模拟曲线在趋势上合理吻合，共同表明随着激发波数增加，系统从泡型（对比度高，畴壁陡，畴壁尺寸小）平滑过渡到奈尔型（对比度接近0.5，畴壁平缓，畴壁尺寸大）。这些优值有效地捕捉了由电场形状变化主导的关键拓扑特征。

四、 讨论与结论总结

讨论：本研究在极性电介质中引入了声子-极化激元斯格明子的概念。通过SPhP在精心设计结构中的干涉，从理论和实验上观测了自由悬浮薄SiC膜中的斯格明子晶格。这项工作首次清晰地测量了具有平滑畴壁特征的SPhP奈尔型斯格明子，克服了等离子体系统先前存在的限制。利用SiC的强色散性质，研究人员能够在很大范围内调谐拓扑性质和畴壁构型，直观展示了从已充分研究的泡型到新实现的奈尔型光学斯格明子的连续转变。该系统独特地允许在纳米尺度上利用声子-极化激元导模实现泡型和奈尔型光学斯格明子之间的精确调谐。

未来研究可利用这些发现，探索使用径向偏振光以在同一结构中产生更广泛的拓扑结构，增加灵活性，以应用于未来直接片上计算。此外，采用小型天线而非连续结构来塑造和操控局域场分布，为产生复杂拓扑构型提供了新途径。扭曲双六角结构可创造新的拓扑配置，为声子-极化激元扭转电子学以及斯格明子袋从泡型到奈尔型的转变铺平道路。最后，利用其他支持导模的材料（如各种二维材料）可促进该领域发展，并催生一系列新的拓扑光场结构。特别是通过电学或光学开关主动调控材料性质（如石墨烯中的载流子密度），可能允许在同一结构内快速在不同斯格明子拓扑、甚至斯格明子与半子拓扑之间切换。声子-极化激元斯格明子的独特性质有潜力应用于未来的自旋光学、成像、拓扑和量子技术，使其成为下一代光子和声子器件的理想候选者。此外，声子中由于非谐晶格势所固有的非线性，为寻求已久的极化激元斯格明子-斯格明子相互作用开辟了道路，这可能实现此类声子系统中的基于拓扑的信息处理。

研究结论翻译：

研究人员引入了极性电介质中声子-极化激元斯格明子的概念。通过SPhP在精心设计结构中的干涉，研究人员提供了在自由悬浮薄SiC膜中斯格明子晶格的理论和实验观察。此外，这项工作首次清晰地测量了SPhP奈尔型斯格明子，其特点是具有平滑的边界壁，克服了先前等离子体系统施加的限制。利用SiC的强色散性质，研究人员能够在很大范围的拓扑性质和畴壁配置之间进行调谐，并可视化从先前已充分研究的泡型到目前可实现的奈尔型光学斯格明子的连续转变。研究人员的系统独特地允许在纳米尺度上使用声子-极化激元导模在泡型和奈尔型光学斯格明子之间进行精确调谐。