Ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) совершили прорыв, обнаружив неожиданно простой метод генерации оптических скирмионов — крошечных стабильных вихревых структур света, напоминающих иголки ежа. Этот подход, как сообщается на страницах авторитетного журнала Optica, возрождает классический оптический эксперимент, возраст которого превышает 200 лет. Вместо того чтобы полагаться на дорогостоящие и сложные метаматериалы, традиционно необходимые для создания таких структур, команда под руководством доцента Нанья Шэнь Ицзе из Школы физико-математических наук и Школы электротехники и электронной инженерии НТУ применила гораздо более доступный метод: они просто направили лазерный луч на небольшой круглый диск.
Оптические скирмионы, представляющие собой микроскопические вихревые узоры, формируемые светом, рассматриваются исследователями как перспективные элементы для будущих технологий хранения данных, связи и вычислительной техники благодаря их способности надежно кодировать и сохранять информацию. «Что примечательно, так это то, что оптические скирмионы теперь можно создавать с помощью простого эффекта, когда свет огибает объект, не полагаясь на дорогие, сложные искусственные метаматериалы или узкоспециализированные методы», — пояснил доцент Шен. По его словам, это может сделать оптические скирмионы гораздо более доступными для изучения, открывая перед учеными новые возможности для исследования их применения в будущих оптических, материаловедческих и компьютерных разработках.
Классический световой феномен обретает новую цель
Данное открытие базируется на явлении, известном как пятно Пуассона — хорошо изученном оптическом феномене, при котором яркая точка возникает в центре тени, отбрасываемой непрозрачным объектом, освещаемым когерентным светом, например лазером. Этот эффект сыграл ключевую роль в научных дебатах начала XIX века о природе света: ученые спорили, распространяется ли свет исключительно как частицы по прямым линиям или же ведет себя как волны, способные огибать препятствия. Волновая теория предсказывала появление светлого пятна в центре тени диска, где иначе ожидалась бы полная темнота; наблюдение пятна Пуассона предоставило убедительное доказательство того, что свет подвергается дифракции — изгибается и распространяется, проходя вокруг объектов или сквозь малые отверстия.
Четыре типа оптических скирмионов одновременно
Исследователи также обнаружили, что их установка с пятном Пуассона эффективно генерирует сразу четыре различных топологических структуры поля. В их число входят спиновые скирмионы, скирмионы Стокса, скирмионы открытых полей и скирмионы магнитного поля. Спин в данном контексте относится к свойствам света, близким к вращению, а параметры Стокса определяют поляризацию — направление, в котором световые волны вибрируют при движении. Совместное создание этих четырех типов предоставляет ученым уникальную возможность для сравнительного анализа того, как разные оптические скирмионы развиваются, эволюционируют и взаимодействуют в пределах одного и того же светового поля. Компьютерное моделирование, проведенное командой, визуализировало структуру в виде закрученных массивов стрелок, иллюстрирующих, как различные свойства света меняют направление в пределах пятна Пуассона.
Более простой способ управления световыми структурами
Свет обладает множеством характеристик, которыми исследователи могут манипулировать, включая его фазу, поляризацию, вращение, а также развитие магнитного поля. Эти свойства могут быть описаны в рамках топологических структур — устойчивых шаблонов, сохраняющих свою целостность даже при деформациях или возмущениях. Регулируя условия, формирующие световое поле, ученые получают возможность точно контролировать размер, форму и поведение оптических скирмионов. Как отметил доцент Шен: «В созданном нами световом пятне, объединяющем несколько типов оптических векторов, мы можем одновременно формировать топологические структуры, что открывает путь к более простому и доступному управлению этими футуристическими световыми образованиями для будущих вычислительных технологий».
пологическую структуру. Эти различные компоненты имеют высокую степень освещенности, но они не обязательно учитывают определенную топологическую структуру.
«Возможность производства и сравнения нескольких скирмионов в одной системе может помочь исследователям раскрыть новые связи между электрическими, магнитными и другими физическими источниками света».
Возможные применения в вычислительной технике и фотонике
Скирмионы были впервые предложены в физике элементарных частиц и ядерной физике, а затем стали важными исследованиями в физике конденсированного состояния и магнитных материалов. Совсем недавно ученые начали рассматривать оптические скирмионы как стабильные структуры, подобные частицам, которые существуют в световых полях.
Более ранние методы создания оптических скирмионов основывались на метаматериалах, которые представляют собой искусственно созданные микроскопические структуры, предназначенные для манипулирования световыми методами, содержащимися в материальных материалах.
Заменив эту сложную систему гораздо более простой оптической установкой, работа команды NTU может проводить исследования оптических скирмионов более доступными. Полученные результаты также создают основу для будущих исследований топологического света и могут обеспечить достижения в области фотоники, современной обработки информации и компьютерной техники следующего поколения.