Zeitaufgelöste Vektor-Mikroskopie und Polarimetrie
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Vermessung der Feldstruktur von Oberflächenplasmon-Polaritonen (SPPs) an Gold-Vakuum Grenzflächen und der Untersuchung ihrer topologischen Eigenschaften. Mittels der in dieser Arbeit entwickelten Vektor-Mikroskopie ist es gelungen, diese elektromagnetischen Felder in 3D zu rekonstruieren. Mit der erreichten sub-Wellenlängen Ortsauflösung und der sub-Femtosekunden Zeitauflösung ist es möglich, die Dynamik von SPP-Feldern zu untersuchen.
Ausgenutzt wird, dass in einem Anrege-Abfrage-Experiment zunächst ein SPP angeregt wird und die Projektion des SPP-Feldes auf die Polarisation des Abfrage-Pulses detektiert wird. Mit zwei orthogonal polarisierten Abfrage-Pulsen zur gleichen Anregung kann demnach das elektrische Feld in der Ebene eindeutig bestimmt werden. Die fehlende Komponente, die aus der Ebene zeigt, wird über die Maxwell-Gleichung bestimmt.
Das Grundprinzip der Vektor-Mikroskopie wird zunächst an einem ebenen SPP-Wellenpaket veranschaulicht. In dieser Arbeit liegt der Fokus jedoch auf topologischen Strukturen. Zunächst wird an einer modifizierten hexagonalen Anrege-Struktur mit einer verschobenen Seite ein Skyrmion-Gitter im elektrischen Feld erzeugt. Für dieses Skyrmion-Gitter wird eine Windungszahl bzw. Skyrmion-Zahl ermittelt, die zwischen 1 und −1 schwingt.
Topologisch stabile Quasipartikel sind nicht im oszillierenden elektrischen Feld zu finden, jedoch können diese im Spin-Drehimpuls (SAM) erzeugt werden. Die Rekonstruktion des SAMs hat jedoch deutlich höhere Anforderungen an Stabilität und Präzision im Experiment, sodass die Vektor-Mikroskopie zur Vektor-Polarimetrie erweitert wurde. Die Erweiterung beinhaltet eine verbesserte Stabilisierung und ein neues Messprinzip mit mehr Abfrage-Polarisationen deren relative Phasen zusätzlich gemessen wurde. Mit der Vektor-Polarimetrie konnte durch lineare Anregung unterschiedlicher archimedischer Spiralen ein plasmonisches Meron und ein Meron-Paar im SAM erzeugt werden.
Aus dem SAM konnten weitere topologische Größen extrahiert werden. Zunächst ist es gelungen die Euler-Poincaré Charakteristik in 2D zu verifizieren und darüber hinaus eine eindeutige Zuordnung von C-Punkten und Amplituden-Vortizes vorzunehmen. In einer lokalen Betrachtung auf und innerhalb der ermittelten L-Linien ist es gelungen die Chern-Zahl auf unterschiedlichen Wegen zu bestimmen. Zu einer festen Verzögerungszeit konnte aus der Änderung des Azimuts entlang einer L-Linie die Chern-Zahl von C = 1/2 für das Meron und C = 1 für das Meron-Paar belegt werden. Durch die Zeitauflösung im Experiment konnte anschließend aus der Integration der Quasipartikeldichte die zeitliche Stabilität von Meron und Meron-Paar bestimmt werden.
The present work focuses on the measurement of the field structure of surface plasmon polaritons at gold-vacuum interfaces and the study of their topological properties. Using the vector microscopy developed in this work, it is possible to reconstruct the electromagnetic fields in 3D. With the achieved sub-wavelength spatial resolution and sub-femtosecond time resolution, it is possible to study the dynamics of surface plasmon-polariton fields.
Exploited is that in a pump-probe experiment, a surface plasmon polariton is first excited and the projection of the surface plasmon polariton field onto the polarization of the probe pulse is detected. Thus, with two orthogonal probe pulses and the same excitation, the in-plane field can be uniquely determined. The missing out-of-plane component is determined via Maxwell’s equation.
The basic principle of vector microscopy is first illustrated on a plane surface plasmon wave packet. In this work, however, the focus is on topological structures. First, a skyrmion lattice is generated in the electric field on a modified hexagonal excitation structure with one side shifted. In this skyrmion lattice, a winding- or skyrmion number oscillating between 1 and −1 is determined.
Topologically stable quasiparticles can not be found in the oscillating electric field, but they can be created in spin angular momentum (SAM). However, the reconstruction of the SAM has much higher requirements for stability and precision in the experiment, so vector microscopy has been extended to vector polarimetry. The upgrade includes improved stabilization and a new measurement principle with more probe polarizations whose relative phase was additionally measured. With vector polarimetry, plasmonic meron and a meron pair could be created in the SAM by linear excitation of different Archimedean spirals.
Additional topological quantities can be extracted from the SAM. First, the Euler-Poincaré characteristic in 2D can be verified and, moreover, C-points and amplitude vortizes can be uniquely assigned. In a local observation on and within the determined L-lines, it has been possible to determine the Chern number in different ways. In the first step, the Chern number of C = 1/2 for the meron and C = 1 for the meron pair at a fixed time-delay could be occupied from the change of azimuth along an L-line. By the time resolution in the experiment, the temporal stability of the meron and meron pair could then be determined from the integration of the quasiparticle density.