Учени от Технологичния университет в Нанянг (NTU Singapore) откриха невероятно лесен и иновативен начин за създаване на необичайни светлинни структури, известни като оптични скирмиони. За целта те вдъхнаха нов живот на класически физичен експеримент с над 200-годишна история.
Оптичните скирмиони са миниатюрни, изключително стабилни вихрови структури, които се образуват в самите свойства на светлината. Често ги оприличават на игличките на таралеж заради специфичното им пространствено разпределение.
Благодарение на способността си да кодират и съхраняват информация, те се разглеждат като обещаващи градивни елементи за технологиите от ново поколение в областта на съхранението на данни, супербързите комуникации и компютърните изчисления.
Досега за генерирането на тези сложни структури се изискваха скъпи и изключително трудни за изработка изкуствени метаматериали. Екипът от Сингапур обаче успя да постигне същия ефект, като просто насочи лазерен лъч към малък кръгъл диск.
Този нов подход прави създаването и управлението на оптичните скирмиони несравнимо по-лесно и достъпно.
Ръководителят на изследването, доцент Шен Ицзе от NTU, обясни, че е забележително как тези структури вече могат да се получават чрез простото заобикаляне на светлината около обект.
Това премахва сериозните технически и финансови бариери пред учените по света и отваря изцяло нови хоризонти за изследвания в сферата на оптиката, съвременните материали и компютърните науки.
В основата на този научен пробив стои т.нар. петно на Поасон. Това е добре познат феномен от класическата оптика: когато кръгъл обект се освети с кохерентна светлина (например лазер), в самия център на неговата сянка неочаквано се появява ярка светла точка.
През XIX век това явление изиграва ключова роля в научния спор за същността на светлината, като доказва по категоричен начин вълновата ѝ природа и способността ѝ да се извива (дифрактира) около препятствия.
По време на експериментите изследователите откриха и друг впечатляващ факт – тяхната опростена апаратура естествено и едновременно генерира четири различни, но взаимно свързани типа скирмиони:
- Спинови скирмиони (свързани със свойствата на въртене на светлината);
- Скирмиони на Стокс (описващи поляризацията и трептенията на светлинните вълни);
- Скирмиони на електрическото поле;
- Скирмиони на магнитното поле.
Тази едновременна поява дава на физиците уникалния шанс да наблюдават и сравняват как различните видове скирмиони се зараждат, развиват и си взаимодействат в рамките на едно-единствено светлинно поле.
Компютърните симулации на екипа показват сложни, въртящи се масиви от стрелки, които илюстрират как точно светлинните свойства променят посоката си в напречното сечение на петното на Поасон.
Светлината притежава множество характеристики, които учените могат да контролират – интензитет, фаза, поляризация, спин, както и векторите на електрическото и магнитното поле.
Когато тези свойства се организират в стабилни топологични структури (модели, които запазват стабилност дори при деформация), те се превръщат в мощен инструмент за технологиите.
Първоначално концепцията за скирмионите се ражда в ядрената физика и физиката на елементарните частици, а по-късно става ключова за магнитните материали.
Днес, благодарение на пробива на учените от Сингапур, оптичните скирмиони излизат от тясно специализираните лаборатории.
Като замениха сложните метаматериали с обикновена и достъпна оптика, те положиха основите за бързото развитие на фотониката и изчислителната техника от съвсем ново поколение.
