Учените от Технологичния университет в Нанян (NTU Singapore) откриха много по-прост начин за създаване на необичайни светлинни структури, известни като оптични скирмиони, като възродиха класически оптичен експеримент, който датира от над 200 години.

Оптичните скирмиони са миниатюрни стабилни вихрови структури, които се образуват в свойствата на светлината. Тяхната структура често се сравнява с игличките на таралеж. Тъй като те потенциално могат да кодират и съхраняват информация, изследователите виждат в тях перспективни градивни елементи за бъдещите технологии за съхранение на данни, комуникации и изчисления. Вместо да разчитат на скъпи и сложни метаматериали, които традиционно са били необходими за генерирането на оптични скирмиони, екипът от NTU ги създаде, като насочи лазер към малък кръгъл диск. Този подход осигурява много по-прост начин за създаване, изучаване и контрол на тези сложни светлинни структури.

„Забележително е, че оптичните скирмиони вече могат да се генерират чрез простия ефект на заобикаляне на светлината около обект, без да се използват скъпи, сложни изкуствени метаматериали или строго специализирани методи. Това може да направи оптичните скирмиони много по-достъпни за изследователите. Като намалява техническите пречки за тяхното създаване и изучаване, методът открива нови възможности за учените да проучат как те могат да бъдат използвани в бъдещи изследвания в областта на оптиката, материалите и изчисленията.“

обясни ръководителят на изследването, доцент Шен Ицзе от NTU Едно класическо светлинно явление намира ново приложение

Пробивът се основава на петното на Пуасон – добре известно оптично явление, при което ярка точка се появява в центъра на сянката, хвърляна от кръгъл обект при осветяване с кохерентен източник на светлина, като например лазер. Петното на Пуасон е изиграло важна роля в спора от началото на 19-и век относно природата на светлината. По онова време учените се съмняваха дали светлината се разпространява само като частици по прави линии или се държи като вълни, които могат да се изкривяват и да се разпространяват.

Вълновата теория предсказваше, че ярката точка трябва да се появи в центъра на сянката на диска, където в противен случай би се очаквала пълна тъмнина. Наблюдението на петното на Пуасон предостави убедително доказателство, че светлината се подлага на дифракция, тоест се изкривява и се разпространява, преминавайки около обекти или през малки отвори.

Четири типа оптични скирмиони едновременно

Изследователите също така откриха, че тяхната апаратура с петното на Пуасон естествено генерира до четири свързани топологични полеви структури едновременно. Към тях спадат спиновите скирмиони, скирмионите на Стокс, скирмионите на електричното поле и скирмионите на магнитното поле. Спинът се отнася до свойствата на въртенето на светлината, докато параметрите на Стокс описват поляризацията или посоката, в която светлинните вълни се колебаят при разпространението си.

Едновременното генериране на тези четири типа може да даде на учените уникалната възможност да сравнят как различните оптични скирмиони се образуват, еволюират и взаимодействат в едно и също светлинно поле. Компютърното моделиране показа структури под формата на въртящи се масиви от стрелки, които илюстрират как различните свойства на светлината променят посоката си в напречното сечение на петното на Пуасон.

По-прост начин за управление на сложната светлина

Светлината притежава много характеристики, с които изследователите могат да манипулират, включително нейната интензивност, фаза, поляризация, спин, както и векторите на електрическото и магнитното поле. Тези свойства могат да бъдат организирани в топологични структури – модели, които остават стабилни дори при разтягане или деформация. Чрез регулиране на условията, формиращи светлинното поле, учените ще могат точно да контролират размера, формата и поведението на оптичните скирмиони.

Възможни приложения в изчислителната техника и фотониката

Скирмионите бяха предложени за първи път в частичната и ядрената физика, преди по-късно да се превърнат във важна област на изследване във физиката на кондензираното състояние и магнитните материали. Съвсем наскоро учените започнаха да изследват оптичните скирмиони като стабилни, подобни на частици структури, съществуващи в светлинните полета.

По-ранните методи за получаване на оптични скирмиони разчитаха на метаматериали – изкуствено създадени микроскопични структури, предназначени да управляват светлината по начини, недостъпни за обикновените материали. Като замени тези сложни системи с много по-проста оптична апаратура, работата на екипа от NTU може да направи изследванията на оптичните скирмиони по-достъпни. Резултатите също така създават основа за бъдещи изследвания на топологичната светлина и могат да допринесат за напредъка във фотониката, съвременните материали, обработката на информация и изчислителната техника от следващото поколение.