1350
Науковці з Наньянського технологічного університету в Сінгапурі знайшли значно простіший спосіб створювати незвичайні світлові структури — оптичні скірміони, — відродивши класичний оптичний дослід, якому понад 200 років. Роботу опублікували в журналі Optica. Оптичні скірміони — це крихітні стабільні вихрові візерунки, що формуються у властивостях світла; їхню структуру часто порівнюють із голками їжака.
Оскільки скірміони можуть кодувати й зберігати інформацію, дослідники вважають їх перспективними «будівельними блоками» для майбутніх технологій зберігання даних, зв’язку та обчислень. Але досі для їх створення зазвичай потрібні були дорогі, складно сконструйовані метаматеріали. Команда під керівництвом асистента-професора Шеня Їцзє натомість створила скірміони, просто спрямувавши лазер на невеликий круглий диск.
«Найдивовижніше те, що оптичні скірміони тепер можна генерувати за допомогою простого ефекту, коли світло огинає об’єкт, без дорогих складних метаматеріалів чи вузькоспеціалізованих технік, — пояснює Шень. — Це може зробити оптичні скірміони набагато доступнішими для дослідників і відкриває нові можливості вивчати, як їх використовувати в майбутніх оптичних, матеріалознавчих та обчислювальних дослідженнях».
Прорив ґрунтується на «плямі Пуассона» — добре відомому оптичному явищі, коли в центрі тіні від круглого об’єкта, освітленого когерентним джерелом на кшталт лазера, з’являється яскрава точка. Ця пляма відіграла важливу роль у дискусії початку XIX століття про природу світла. Тоді науковці сперечалися, чи рухається світло лише як частинки по прямих, чи поводиться як хвилі, здатні згинатися й розходитися. Спостереження плями Пуассона стало переконливим доказом того, що світло зазнає дифракції.
Дослідники також виявили, що їхня установка з плямою Пуассона природно породжує одразу до чотирьох споріднених топологічних польових візерунків: спінові скірміони, скірміони Стокса, скірміони електричного поля та скірміони магнітного поля. Спін стосується обертальних властивостей світла, а параметри Стокса описують поляризацію — напрямок, у якому коливаються світлові хвилі. Генерація цих чотирьох типів разом дає унікальну нагоду порівняти, як різні оптичні скірміони формуються, еволюціонують і взаємодіють в одному світловому полі.
Світло має багато характеристик, якими можна керувати, — інтенсивність, фазу, поляризацію, спін, вектори електричного й магнітного полів. Ці властивості можна впорядковувати в топологічні структури — візерунки, що залишаються стабільними навіть при розтягуванні чи спотворенні. «Здатність створювати й порівнювати кілька скірміонів в одній системі може допомогти дослідникам виявити нові зв’язки між електричними, магнітними та іншими фізичними властивостями світла», — зазначив Шень.
Скірміони спершу запропонували у фізиці частинок і ядерній фізиці, згодом вони стали важливою темою фізики конденсованого стану й магнітних матеріалів, а нещодавно науковці почали досліджувати їхні оптичні аналоги як стабільні, подібні до частинок структури у світлових полях. Замінивши складні системи метаматеріалів простою оптичною установкою, робота NTU може зробити дослідження оптичних скірміонів доступнішими й закладає основу для майбутніх студій топологічного світла — з потенціалом для фотоніки, передових матеріалів, обробки інформації та обчислень наступного покоління.
