納米尺度下光與物質之間復雜的相互作用揭示了一個迷人的現象領域，其中之一就是表面等離激元（SPPs）。這些發生在金屬和介質材料界面上的電子集體振蕩，由于其能夠在亞波長尺度上約束和操縱光的能力而受到了廣泛關注。最近，這個領域的一個顯著突破是通偏振光電發射顯微鏡（PEEM）揭示的等離子自旋半子對的時空拓撲結構。

等離激元自旋織構與拓撲

自旋的概念通常與電子相關聯，但可以通過極化的類比將其擴展到電磁場。在等離激元系統中，光的極化可以映射到一個贗自旋上，其中電場矢量的方向定義了自旋方向。當這些自旋方向表現出非平凡的空間排列時，它們就形成了具有拓撲性質的自旋織構。拓撲不變量，例如陳數，量化了自旋場的纏繞，并決定了這些結構抵抗擾動的穩定性。

自旋半子是拓撲缺陷，其特征是半整數的纏繞數，這使其與斯格明子區分開來，后者具有整數的纏繞數。在一個半子中，自旋矢量僅覆蓋布洛赫球的一半，這與斯格明子覆蓋整個球體不同。半子對，由兩個具有相反拓撲電荷的半子組成，由于干涉效應可以在等離激元場中出現。這些對表現出獨特的時空動力學，使其成為深入研究的對象。

偏振光電子發射顯微鏡

對等離激元自旋織構的研究需要能夠分辨電磁場的空間分布和時間演化的實驗技術。偏振PEEM作為一種強大的工具應運而生，它結合了PEEM的空間分辨率和偏振測量的偏振靈敏度。在PEEM中，用光子照射樣品，引起光電子的發射。通過分析這些電子的空間分布，可以獲得樣品表面的實空間圖像。當與測量光偏振態的偏振測量相結合時，偏振PEEM可以繪制納米尺度上電磁場的矢量分量。

這項技術特別適合研究等離激元場，因為光發射過程對局部電場敏感。通過使用飛秒激光脈沖進行時間分辨測量，可以捕獲等離激元場的時空動力學。這種能力對于理解自旋半子對的形成、傳播和相互作用至關重要。

揭示時空拓撲

最近使用偏振PEEM的研究已經成功地觀察到了等離激元自旋半子對的形成。通過干涉由飛秒激光脈沖激發的表面等離激元極化子，研究人員觀察到了具有半子對特征的自旋織構的出現。PEEM的高空間分辨率可以直接成像自旋矢量分布，揭示與半子相關的半整數纏繞數。此外，時間分辨測量提供了對這些結構動態演化的深入了解。

實驗表明，盡管電場和磁場快速振蕩，半子對的自旋織構仍然保持穩定。這種穩定性歸因于非平凡纏繞數提供的拓撲保護。直接觀察自旋半子對的時空動力學的能力為探索其潛在應用開辟了新途徑。

結論

對等離激元自旋半子對的時空拓撲結構的研究代表了納米光子學領域的重大進展。偏振PEEM的發展為觀察和表征這些復雜的自旋織構提供了一種強大的工具。直接觀察它們的形成、動力學和穩定性的能力為在各種應用中利用其獨特的性質開辟了令人興奮的可能性。隨著該領域研究的繼續，我們可以期待進一步的突破，這將為新型納米尺度器件和技術鋪平道路。