光物理学：ナノメートル・フェムト秒スケールのプラズモニック・トポロジカル準粒子
Nature 588, 7839 doi: 10.1038/s41586-020-3030-1
古典物理学と量子物理学の境界では、マクスウェル方程式とシュレディンガー方程式によって、光場が電子的現象をどのように駆動、制御し、テラヘルツまたはペタヘルツ周波数領域における超微小スケールの光波エレクトロニクスを可能にするかが記述される。金属に入射する光の電場は、電子と相互作用し、エキシトン（励起子）やプラズモンといった光–物質準粒子をアト秒の時間スケールで生成する。今回我々は、構造化した銀膜内に、トポロジカル・プラズモニック・スピンテクスチャーの準粒子を形成し画像化した。設計した幾何学的位相を有するアルキメデス型の結合構造と相互作用した直線偏光のスピン角運動量成分は、さまざまな軌道角運動量を持つプラズモン波を生成する。これらのプラズモニック場はスピン–軌道相互作用し、その重ね合わせによってプラズモニック渦の配列が生成される。こうした渦のうち3つが、磁気メロン準粒子に似た非自明なトポロジカルチャージを運ぶスピンテクスチャーを形成できる。これらのスピンテクスチャーは光の半波長内に局在し、プラズモニック場の時間スケールにわたり存在する。我々は、超高速非線形コヒーレント光電子顕微鏡法を用いて、渦場の空間発展のアト秒動画を作成し、電磁場シミュレーションと理論解析によって、プラズモニック・メロン準粒子の存在を確認した。この準粒子は、ナノメートルの空間スケールと20フェムト秒の時間スケール（「ナノ-フェムトスケール」）において、時間反転対称性を破るカイラル場を形成した。この非自明なスピン角運動量トポロジーの過渡的形成は、宇宙構造形成や量子物質におけるトポロジカル相転移に関連しており、量子情報をナノ-フェムトスケールで変換する可能性がある。
