27.04.2020

Schwingende Skyrmionen

Ultraschnelle Vektormikroskopie erkennt elektrische Felder an Oberflächen.

In optischen Computern, deren Strukturen mitunter viel kleiner sind als die Wellen­länge des Lichts, benötigt man Tricks wie Nanoantennen, um das Licht effektiv einkoppeln zu können. Doch es ist sehr schwer, die elektrischen Felder um solche Strukturen herum räumlich und zeitlich zu analysieren. Mit der Vektor­mikroskopie auf Basis der zeitaufgelösten Zwei-Photonen-Photoemissions­mikroskopie konnte ein Physikerteam um Frank-J. Meyer zu Heringdorf von der Universität Duisburg-Essen, den aus­tralischen Experten für Nanooptik Timothy J. Davis und Harald Gießen von der Universität Stuttgart nun elek­trische Felder an einer Metall­oberfläche punkt- und zeitgenau bestimmen – bis hinunter zu zehn Nanometern örtlicher Auflösung und im Sub-Femto­sekundenbereich.

Abb.: Illustration optischer Skyr­mionen zu einem Zeitpunkt, bei dem ihre...
Abb.: Illustration optischer Skyr­mionen zu einem Zeitpunkt, bei dem ihre elektrischen Felder im Zentrum aus der Oberfläche heraus­zeigen. (Bild: T. Davis)

Dazu nutzten die Forscher Gold-Mikro­kristallite, auf deren Oberfläche sie nach Nano­strukturierung durch einen ultrakurzen Laserpuls ein Oberflächen-Plasmon-Polariton erzeugten – eine Elektronen­welle, die sich an der Oberfläche ausbreitet. Wenige Femtosekunden nach der Anregung liest ein zweiter Laserpuls das elektrische Feld der Welle aus. Allerdings kann der Abfrage­puls nur diejenige Komponente analysieren, die gleich polarisiert ist, also bei der das elektrische Feld des abfragenden Laserpulses und das des Plasmons an der Oberfläche in die gleiche Richtung zeigen. Die Wissenschaftler rekonstruierten die Feld­vektoren, indem sie in zwei Experimenten mit unter­schiedlichen Abfrage­polarisationen zwei Feldkomponenten bestimmten. Die dritte ließ sich anschließend mithilfe der Maxwell-Gleichungen aus den beiden ersten berechnen. „So lässt sich jeder Punkt eines elektrischen Feldes auf einer Oberfläche zu jeder Zeit beobachten – in kleinsten Strukturen“, sagt Meyer zu Heringdorf. 

Aufgrund ihrer vielver­sprechenden Eigenschaften in magnetischen Systemen beschäftigt die Forschung derzeit die Frage, ob sich die magne­tischen Eigenschaften von Skyrmionen auch in die Optik übertragen lassen. Den Wert der von ihnen entwickelten Methode demonstrierten die Forscher daher, indem sie erstmals die Dynamik von optischen Skyrmionen in der Zeit nachverfolgten. Zu diesem Zweck hat das Team Plasmonen auf der Gold­oberfläche erzeugt, deren elektrische Felder optische Skyrmionen ausbildeten. Daraufhin vergrößerten die Forscher den zeitlichen Abstand zwischen anregendem und detek­tierenden Laserpulsen systematisch um rund hundert Atto­sekunden. Aus der Sequenz der aneinander­gefügten rekonstru­ierten Feldbilder ergab sich ein Film der auf- und abschwingenden Skyrmionen.

Da die Methodik universell auf elektrische Felder an Oberflächen anwendbar ist, lassen sich mit der Vektor­mikroskopie Feld­verteilungen in optischen Nano­strukturen mit einer Präzision untersuchen, die noch vor wenigen Jahren undenkbar gewesen wäre.

UDE / JOL

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