Επιστήμονες στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang της Σιγκαπούρης (NTU Singapore) βρήκαν έναν απλό τρόπο για να δημιουργήσουν ασυνήθιστες δομές φωτός, γνωστές ως οπτικά σκυραμιόνια, αναβιώνοντας ένα κλασικό πείραμα οπτικής πριν από περισσότερα από 200 χρόνια.
Τα οπτικά σκυρμιόνια είναι μικροσκοπικά, σταθερά περιστρεφόμενα μοτίβα που σχηματίζονται σε ιδιότητες φωτός. Η δομή τους έχει συχνά συγκριθεί με αγκάθια σκαντζόχοιρου. Επειδή μπορούν ενδεχομένως να κωδικοποιήσουν και να αποθηκεύσουν πληροφορίες, οι ερευνητές τις βλέπουν ως πολλά υποσχόμενα δομικά στοιχεία για μελλοντικές τεχνολογίες αποθήκευσης δεδομένων, επικοινωνίας και υπολογιστών.
Αντί να βασίζεται στα ακριβά, εξαιρετικά κατασκευασμένα μεταϋλικά που απαιτούνται παραδοσιακά για τη δημιουργία οπτικών skyramions, η ομάδα του NTU τα δημιούργησε εκπέμποντας ένα λέιζερ σε έναν μικρό κυκλικό δίσκο. Η μέθοδος παρέχει έναν απλούστερο τρόπο παραγωγής, μελέτης και ελέγχου αυτών των πολύπλοκων φωτεινών δομών.
Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό οπτικόςΟ Nanyang ηγήθηκε από τον επίκουρο καθηγητή Shen Yi από τη Σχολή Φυσικών και Μαθηματικών Επιστημών του NTU και τη Σχολή Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών.
«Αυτό που είναι αξιοσημείωτο είναι ότι τα οπτικά σκυρμιόνια μπορούν τώρα να δημιουργηθούν χρησιμοποιώντας ένα απλό εφέ όπου το φως κάμπτεται γύρω από ένα αντικείμενο, χωρίς να βασίζεται σε ακριβά, πολύπλοκα τεχνητά μεταϋλικά ή εξαιρετικά εξειδικευμένες τεχνικές», εξηγεί ο Επίκουρος Καθηγητής Shen.
“Αυτό θα μπορούσε να κάνει τα οπτικά skyramons πολύ πιο προσιτά στους ερευνητές. Μειώνοντας τα τεχνικά εμπόδια για την κατασκευή και τη μελέτη τους, η μέθοδος ανοίγει νέες δυνατότητες στους επιστήμονες να μελετήσουν πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντική οπτική, υλικά και υπολογιστική έρευνα.”
Μια κλασική εκδήλωση φωτός βρίσκει έναν νέο σκοπό
Η ανακάλυψη βασίζεται στο σημείο Poisson, ένα πολύ γνωστό οπτικό φαινόμενο στο οποίο εμφανίζεται ένα φωτεινό σημείο στο κέντρο της σκιάς που εκπέμπεται από ένα κυκλικό αντικείμενο όταν αυτό φωτίζεται από μια συνεκτική πηγή φωτός όπως ένα λέιζερ.
Το σημείο Poisson έπαιξε σημαντικό ρόλο στη συζήτηση για τη φύση του φωτός στις αρχές του 19ου αιώνα. Εκείνη την εποχή, οι επιστήμονες αμφισβήτησαν εάν το φως ταξίδευε μόνο ως σωματίδια σε ευθείες γραμμές ή συμπεριφερόταν ως κύματα που μπορούσαν να λυγίσουν και να εξαπλωθούν.
Η κυματική θεωρία προέβλεψε ότι ένα φωτεινό σημείο θα εμφανιζόταν στο κέντρο της σκιάς του δίσκου, όπου διαφορετικά θα ήταν αναμενόμενο απόλυτο σκοτάδι. Η παρατήρηση των κηλίδων Poisson παρέχει πειστικές αποδείξεις ότι το φως υφίσταται περίθλαση, που σημαίνει ότι κάμπτεται και εξαπλώνεται καθώς περνά γύρω από αντικείμενα ή μέσα από μικρά ανοίγματα.
Τέσσερις τύποι οπτικών skymen ταυτόχρονα
Οι ερευνητές ανακάλυψαν επίσης ότι η διάταξη Poisson spot παράγει φυσικά τέσσερα σχετικά μοτίβα τοπολογικών πεδίων ταυτόχρονα.
Αυτά περιλαμβάνουν το σπιν σκυράμιον, το σκυράμιον Stokes, το σκυράμιον ηλεκτρικού πεδίου και το σκυράμιον του μαγνητικού πεδίου. Το Spin αναφέρεται στην ιδιότητα περιστροφής του φωτός, ενώ οι παράμετροι Stokes περιγράφουν την πόλωση ή την κατεύθυνση στην οποία τα κύματα φωτός δονούνται καθώς ταξιδεύουν.
Η κατασκευή αυτών των τεσσάρων τύπων μαζί μπορεί να δώσει στους επιστήμονες μια μοναδική ευκαιρία να συγκρίνουν πώς σχηματίζονται, εξελίσσονται και αλληλεπιδρούν διαφορετικά οπτικά σκυρμιόνια μέσα στο ίδιο πεδίο φωτός.
Οι προσομοιώσεις υπολογιστή δείχνουν τις δομές ως περιστρεφόμενες συστοιχίες βελών που απεικονίζουν πώς οι διαφορετικές ιδιότητες του φωτός αλλάζουν κατεύθυνση κατά μήκος της κηλίδας Poisson.
Ένας απλός τρόπος για να ελέγξετε τον περίπλοκο φωτισμό
Το φως έχει πολλές ιδιότητες που μπορούν να χειριστούν οι ερευνητές, συμπεριλαμβανομένης της έντασής του, της φάσης, της πόλωσης, του σπιν και των διανυσμάτων του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου.
Αυτά τα χαρακτηριστικά μπορούν να ταξινομηθούν σε τοπολογικές δομές, οι οποίες είναι μοτίβα που παραμένουν σταθερά ακόμη και όταν τεντώνονται ή παραμορφώνονται. Προσαρμόζοντας τις συνθήκες που διαμορφώνουν το φωτεινό πεδίο, οι επιστήμονες μπορεί να είναι σε θέση να ελέγχουν με ακρίβεια το μέγεθος, το σχήμα και τη συμπεριφορά των οπτικών σκυρμιονίων.
Ο Επίκουρος Καθηγητής Shen είπε: “Στο φωτεινό σημείο που δημιουργήσαμε, διαφορετικοί τύποι οπτικών διανυσμάτων μπορούν να σχηματίσουν τοπολογικές δομές ταυτόχρονα. Αυτά τα διαφορετικά συστατικά του φωτός συνδέονται στενά, αλλά δεν σχηματίζουν απαραίτητα πανομοιότυπα τοπολογικά μοτίβα.
«Η δυνατότητα δημιουργίας και σύγκρισης πολλών skyrameons μέσα σε ένα σύστημα μπορεί να βοηθήσει τους ερευνητές να ανακαλύψουν νέους δεσμούς μεταξύ των ηλεκτρικών, μαγνητικών και άλλων φυσικών ιδιοτήτων του φωτός».
Δυνητικές εφαρμογές στους υπολογιστές και τη φωτονική
Τα Skyrmions προτάθηκαν για πρώτη φορά στη σωματιδιακή και πυρηνική φυσική πριν γίνουν αργότερα ένα σημαντικό πεδίο μελέτης στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης και στα μαγνητικά υλικά. Πιο πρόσφατα, οι επιστήμονες άρχισαν να ερευνούν σταθερά, σωματιδιακά οπτικά σκυρμιόνια ως δομές που υπάρχουν μέσα σε φωτεινά πεδία.
Οι προηγούμενες μέθοδοι δημιουργίας οπτικών σκυρμιονίων βασίζονταν σε μεταϋλικά, τα οποία είναι τεχνητά κατασκευασμένες μικροσκοπικές δομές σχεδιασμένες να χειρίζονται το φως με τρόπους που τα συμβατικά υλικά δεν μπορούν.
Αντικαθιστώντας αυτά τα πολύπλοκα συστήματα με απλούστερες οπτικές ρυθμίσεις, η εργασία της ομάδας NTU θα μπορούσε να καταστήσει την έρευνα οπτικού skyrmion πιο προσιτή. Τα αποτελέσματα παρέχουν μια βάση για μελλοντικές μελέτες τοπολογικού φωτός και μπορεί να συμβάλουν στην πρόοδο στη φωτονική, τα προηγμένα υλικά, την επεξεργασία πληροφοριών και τους υπολογιστές επόμενης γενιάς.
