Фотонні хопфіони: Світло у формі кілця диму, яке поводиться як частинка

Дослідники повідомляють про нове, дуже незвичайне, структуроване світлове сімейство 3D топологічних солітонів, фотонних хопфіонів, де топологічні текстури й топологічні числа можуть вільно й незалежно налаштовуватися.

У повсякденному житті ми часто можемо зустріти локалізовану хвильову структуру, яка зберігає свою форму під час поширення - уявіть собі кільце диму, що летить у повітрі, розповідають в міжнародному товаристві з оптики та фотоніки SPIE.

Подібні стабільні структури вивчалися в різних галузях досліджень і зустрічаються в магнітах, ядерних системах і фізиці частинок. На відміну від кільця диму, їх можна зробити стійкими до збурень. Це відомо в математиці та фізиці як топологічний захист.

Типовим прикладом є нанорозмірна ураганоподібна текстура магнітного поля в магнітних тонких плівках, що поводяться як частинки, тобто не змінюють свою форму, які називаються скірміонами. Подібні пончикоподібні (або тороїдальні) візерунки в тривимірному просторі, що візуалізують складні просторові розподіли різних властивостей хвилі, називаються хопфіонами. Досягнення таких структур за допомогою світлових хвиль дуже важкодосяжне.

Нещодавні дослідження структурованого світла виявили сильні просторові варіації поляризації, фази та амплітуди, що дають змогу зрозуміти та відкривають можливості для проєктування топологічно стабільних оптичних структур, які поводяться як частинки. Такі квазічастинки світла з контролем різноманітних топологічних властивостей можуть мати великий потенціал, наприклад, як носії інформації нового покоління для оптичного передавання інформації надвеликої ємності, а також у квантових технологіях.

Як повідомляється в журналі Advanced Photonics, співпраця фізиків з Великої Британії та Китаю нещодавно продемонструвала генерацію поляризаційних патернів із заданими топологічно стабільними властивостями в трьох вимірах, які вперше можуть контрольовано перетворюватися й поширюватися у вільному просторі.

Як наслідок цього розуміння, пропонується кілька значних досягнень і нових перспектив. "Ми повідомляємо про нове, дуже незвичне, структуроване світлове сімейство тривимірних топологічних солітонів - фотонних хопфіонів, де топологічні текстури й топологічні числа можуть вільно й незалежно налаштовуватися, виходячи далеко за межі раніше описаних фіксованих топологічних текстур найнижчого порядку", - говорить Йиджи Шен із Саутгемптонського університету, провідний автор статті.

"Наші результати ілюструють величезну красу легких структур. Ми сподіваємося, що вони надихнуть на подальші дослідження в напрямі потенційного застосування топологічно захищених світлових конфігурацій в оптичному зв'язку, квантових технологіях, взаємодії світла та матерії, мікроскопії наддозвілу й метрології", - каже Анатолій Заяць, професор Королівського коледжу Лондона та керівник проєкту.

У цій роботі представлено теоретичні засади, що описують виникнення цього сімейства хопфіонів, а також їхню експериментальну генерацію й характеризацію, що виявляє багату структуру топологічно захищених поляризаційних текстур. На відміну від попередніх спостережень хопфіонів, локалізованих у твердотільних матеріалах, ця робота демонструє, що, як не дивно, оптичний хопфіон може поширюватися у вільному просторі з топологічним захистом розподілу поляризації.

Надійна топологічна структура продемонстрованих фотонних хопфіонів при поширенні часто затребувана в додатках.

Ця нещодавно розроблена модель оптичних топологічних хопфіонів може бути легко поширена на інші топологічні утворення вищого порядку в інших галузях фізики. Хопфіони вищого порядку все ще є великою проблемою для спостереження в інших галузях фізики, від фізики високих енергій до магнітних матеріалів. Оптичний підхід, запропонований у цій роботі, може забезпечити глибше розуміння цієї складної області структур в інших галузях фізики.

російською