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《Physical Review Letters》:对称性决定的光学自旋拓扑态

来源: 发布时间:2021-12-08 17:06 点击数: Views

自旋拓扑结构,如电子体系中的磁斯格明子(magnetic skyrmion),由于其良好的稳定性及新奇的动力学特性,被认为是未来实现高速度,高密度,低能耗磁(自旋)存储器件的基本单元,受到了学术界的广泛关注。与之对应的是,光子也携带自旋信息并且拥有与电子类似的自旋拓扑特性。近年来,我校微纳光电子学研究院纳米光子学研究中心的杜路平教授、袁小聪教授在光子体系中的自旋拓扑结构研究中取得了一系列创新性成果,研究工作相继发表在《Nature Physics》、《PNAS》等国际顶级期刊,开辟了光学自旋拓扑结构这一新兴学科方向,并已逐渐成为当下的一个重要研究热点。

近日,由杜路平教授、袁小聪教授领导的科研小组在前期工作的基础上进一步开展相关研究,在物理学顶级期刊 Physical Review Letters》上发表了题为《Photonic spin lattices: Symmetry constraints for skyrmion and meron topologies》的研究论文。该论文深入探讨了不同对称性下的光学自旋-轨道耦合与自旋拓扑结构之间的联系。欧冠竞猜官网微纳光电子学研究院纳米光子学研究中心杜路平教授和袁小聪教授为论文的共同通讯作者,雷欣瑞博士与杨爱萍副研究员为共同第一作者,欧冠竞猜官网是第一单位和第一通信单位。

在凝聚态体系中,晶体各向异性能和相邻自旋磁矩的耦合作用决定了不同磁畴结构的形成,如磁性斯格明子(skyrmion)、半子(meron)等,而光学自旋拓扑的形成机理尚未得到有效的论证。该研究表明,由于旋转对称性破缺,六角及四角对称下的近场自旋-轨道耦合将分别形成Abrikosov及Staggered型的能流涡旋分布。根据广义的自旋-动量绑定,两种能流结构分别对应光学自旋skyrmion及meron阵列(图1)。同时,通过求解方形边界下能量哈密顿量的极值,可以得到与理论预测一直的自旋meron结构。该研究揭示了自旋拓扑光子学新物理,为光学体系下的自旋拓扑特性的研究提供了新思路,在光学位移传感、磁畴检测、量子技术等领域具有重大的应用前景。

1 不同对称性下的自旋拓扑结构

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论文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.237403