DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60159-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40461466
تاريخ النشر: 2025-06-03
المؤلف: Anthony C. Harwood وآخرون
الموضوع الرئيسي: الزخم الزاوي المداري في البصريات
طرق
في هذه الدراسة، يتم استخدام منهجية محاكاة عددية تعتمد على المشغل لتحليل انتشار الضوء من خلال نظام متعدد الطبقات يتكون من الذهب (Au) وأكسيد القصدير الإنديوم (ITO) وثاني أكسيد السيليكون (SiO₂). تبدأ الطريقة ببناء تمثيل مشغل للنفاذية المشتتة في الزمان والمكان، والتي تتفاعل مع التردد وموجة توزيع المجال الكهربائي. ثم يتم حل معادلات ماكسويل المعدلة لاشتقاق مكونات المجال الكهربائي والمغناطيسي داخل الهيكل متعدد الطبقات.
لتحسين التحليل بشكل أكبر، يتم استخدام طريقة مصفوفة النقل العامة، والتي تم تعديلها لتشمل النفاذية ذات القيمة المشغلة. وهذا يسمح بحساب مشغلات الانعكاس والنقل لكل طبقة وكذلك الكومة متعددة الطبقات بأكملها. تسهل الإطار الناتج حساب طيف الضوء المنكسر كدالة للزاوية والتردد، مما يظهر ارتباطًا قويًا مع القياسات التجريبية الطيفية الفائقة.
نتائج
في هذه الدراسة، نستكشف توليد تذبذبات زمنية مكانية متحركة للنفاذية $\epsilon(x, t)$ في فيلم رقيق من أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) تحت الطول الموجي من خلال تحفيز الفوتونات داخل النطاق باستخدام نبضات ليزر عالية الكثافة وسريعة. يتضمن الإعداد التجريبي فيلم ITO بسمك 40 نانومتر، مع تردد قريب من الصفر (ENZ) يبلغ 227 تيراهرتز (1320 نانومتر)، محصور بين شريحة زجاجية وطبقة ذهبية بسمك 100 نانومتر لتعزيز حبس المجال وتباين التعديل. عند التحفيز باستخدام نبضات ضخ تبلغ ~200 GW/cm² تتركز عند 231 تيراهرتز (1300 نانومتر)، نلاحظ تذبذبات زمنية كبيرة في معامل الانعكاس المعقد $r(x, t)$، محلية حول موضع شعاع الضخ.
تتغير الانعكاسية المستحثة $R = |r|^2$ من بضع في المئة حتى حوالي 70%، مع زمن ارتفاع سريع يقل عن 10 فيمتوثانية عند قوى ضخ عالية وزمن زوال يبلغ حوالي 200 فيمتوثانية. لتحليل هذه التذبذبات في الانعكاسية، نستخدم شعاع استقصائي طيفي متجانس، يتم تمديده زمنيًا باستخدام فلتر طيفي على شكل قبعة (~1 تيراهرتز) لتقليل تأثيره على انعكاسية المادة. ينكسر الشعاع الاستقصائي من تذبذب الانعكاسية المستحثة، ونقوم بتوصيف نمط الانكسار الزمني المكاني الناتج من خلال قياسات طيفية فائقة، ملتقطين طيف التردد للضوء المتناثر عند زوايا مختلفة حول زاوية انعكاس الشعاع الاستقصائي.
مناقشة
تؤسس الأبحاث المقدمة إطارًا لتوليد ملفات شعاعية قابلة للتعديل من حيث الزخم والتردد من خلال انكسار زمني مكاني غير قابل للفصل باستخدام تذبذبات سريعة في فيلم تحت الطول الموجي من أكسيد القصدير الإنديوم (ITO). تستكشف الدراسة كل من الحركة الاصطناعية المستمرة والمجزأة، مما يظهر أن شعاع ضخ واحد ممتد مكانيًا يمكن أن ينشئ تذبذبًا في معامل انعكاس العينة الذي يتحرك عبر السطح بسرعة اصطناعية $v_r = \frac{c}{\sin(\theta_i)}$. تكشف النتائج أن كفاءة الانكسار يمكن أن تصل إلى حد أقصى يبلغ 4.2%، مع توقعات نظرية تشير إلى إمكانية تصل إلى 10%. يُعزى التوسع الطيفي الملحوظ والانزياح الأحمر لضوء الاستقصاء إلى الديناميات السريعة لتذبذب الانعكاسية، التي تظهر زمن ارتفاع أسرع مقارنة بزمن زوالها.
بالإضافة إلى ذلك، تقدم الأبحاث مخطط تذبذب مجزأ يسمح بتصميم مسارات زمنية مكانية عشوائية من خلال تحفيزات متعددة مع فواصل مكانية وزمنية محكومة. يؤدي هذا النهج إلى أنماط تداخل في طيف الزخم الترددي، مشابهة لتجربة الشق المزدوج ليوغ. تشير النتائج إلى وجود ارتباط قوي بين زاوية الانكسار والتردد، والذي يتأثر بسرعات الشعاع الاستقصائي والتعديل. يتماشى نموذج المحاكاة العددية القائم على المشغل للدراسة بشكل جيد مع الملاحظات التجريبية، مما يدعم فكرة تأثير دوبلر الفائق النسبي. بشكل عام، فإن القدرة على تصميم حركات اصطناعية معقدة عند الترددات البصرية تقدم تداعيات كبيرة لاستكشاف الظواهر الفيزيائية الأساسية وتطوير أجهزة بصرية متقدمة مع تطبيقات في الاستشعار والاتصالات والتصوير.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60159-9
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40461466
Publication Date: 2025-06-03
Author(s): Anthony C. Harwood et al.
Primary Topic: Orbital Angular Momentum in Optics
Methods
In this study, an operator-based numerical simulation methodology is employed to analyze light propagation through a multilayer system comprising gold (Au), indium tin oxide (ITO), and silicon dioxide (SiO₂). The approach begins with the construction of an operator representation of the space-time dispersive permittivity, which interacts with the frequency and wavevector of the electric field distribution. Modified Maxwell’s equations are then solved to derive the electric and magnetic field components within the multilayer structure.
To further enhance the analysis, a generalized transfer matrix method is utilized, which is adapted to include operator-valued permittivity. This allows for the calculation of reflection and transmission operators for each layer as well as the entire multilayer stack. The resulting framework facilitates the computation of the diffracted light spectrum as a function of angle and frequency, demonstrating a strong correlation with experimental hyperspectral measurements.
Results
In this study, we investigate the generation of traveling space-time modulations of the permittivity $\epsilon(x, t)$ in a deeply subwavelength film of Indium Tin Oxide (ITO) through intraband photocarrier excitation using high-intensity, ultrafast laser pulses. The experimental setup involves a 40 nm ITO film, with an epsilon-near-zero (ENZ) frequency of 227 THz (1320 nm), sandwiched between a glass coverslip and a 100 nm gold layer to enhance field confinement and modulation contrast. Upon excitation with 225 fs, ~200 GW/cm² pump pulses centered at 231 THz (1300 nm), we observe significant temporal modulations in the complex reflection coefficient $r(x, t)$, localized around the pump beam’s position.
The induced reflectivity $R = |r|^2$ varies from a few percent up to approximately 70%, characterized by a rapid rise time of less than 10 fs at high pump powers and a decay time of about 200 fs. To analyze these reflectivity modulations, we employ a spectrally degenerate probe beam, which is time-stretched using a top-hat spectral filter (~1 THz) to minimize its impact on the material’s reflectivity. The probe beam diffracts from the induced reflectivity modulation, and we characterize the resulting space-time diffraction pattern through hyperspectral measurements, capturing the frequency spectrum of the scattered light at various angles around the probe beam’s reflection angle.
Discussion
The research presented establishes a framework for generating tunable momentum-frequency beam profiles through non-separable space-time diffraction using ultrafast modulations in a subwavelength film of Indium Tin Oxide (ITO). The study explores both continuous and discrete synthetic motion, demonstrating that a single spatially stretched pump beam can create a modulation of the sample’s reflection coefficient that travels across the surface at a synthetic velocity $v_r = \frac{c}{\sin(\theta_i)}$. The findings reveal that the diffraction efficiency can reach a maximum of 4.2%, with theoretical predictions suggesting a potential of 10%. The observed spectral broadening and red-shift of the probe light are attributed to the ultrafast dynamics of the reflectivity modulation, which exhibits a faster rise time compared to its decay time.
Additionally, the research introduces a discrete modulation scheme that allows for the design of arbitrary space-time trajectories through multiple excitations with controlled spatial and temporal separations. This approach leads to interference patterns in the frequency-momentum spectrum, akin to a spatiotemporal version of Young’s double-slit experiment. The results indicate a strong correlation between the diffracted angle and frequency, which is influenced by the relative velocities of the probe and modulation. The study’s operator-based numerical model aligns well with experimental observations, supporting the notion of a super-relativistic Doppler effect. Overall, the ability to engineer complex synthetic motions at optical frequencies presents significant implications for exploring fundamental physical phenomena and developing advanced optical devices with applications in sensing, communications, and imaging.