Физики создают и контролируют трехмерные структуры света, которые ведут себя как частицы

Британские и китайские исследователи обнаружили новое семейство трехмерных топологических светоструктурированных солитонов: фотонные хопфионы. Их текстуры и топологические числа могут быть свободно и независимо настроены. Такое управление топологическими свойствами открывает возможность использования этих квазичастиц света для оптической передачи информации.

Представьте себе дымовое кольцо, летящее по воздуху. Оно может двигаться таким образом, не теряя своей формы, если только не столкнется с возмущением. Такие стабильные локализованные волновые структуры изучались в различных областях исследований, включая магниты, ядерные системы и физику частиц. Однако эти структуры могут противостоять возмущениям благодаря тому, что ученые называют «топологической защитой». «Топологические солитоны с топологически защищенной спиновой текстурой представляют фундаментальный интерес для исследования увлекательных физических явлений и нелинейных теорий поля«, — отмечают исследователи.

Типичным примером является ураганоподобная текстура на наноуровне магнитного поля в магнитных тонких пленках, которые ведут себя как частицы (т.е. не меняя своей формы), называемые скирмионами. Эти сложные топологические структуры рассматриваются как перспективные носители информации. Подобные пончикообразные (или тороидальные) структуры в трехмерном пространстве, которые визуализируют сложные пространственные распределения различных волновых свойств, называются хопфионами. Однако получить такие структуры с помощью световых волн очень сложно.

Новое семейство трехмерных топологических солитонов

Недавние исследования структурированного света выявили сильные пространственные вариации поляризации, фазы и амплитуды, что открывает возможность создания топологически стабильных оптических структур, которые ведут себя подобно частицам. Такие квазичастицы света, чьи топологические свойства можно тонко контролировать, имеют большой потенциал, особенно для оптического хранения и передачи информации и для квантовых технологий.

На сегодняшний день экспериментально реализовано лишь очень ограниченное число хопфионов. Например, магнитные хопфионы типа Блоха (вихрь) и Нееля (еж) могут быть возбуждены и существовать в стабильном состоянии в хиральных магнитах. В фотонике сообщалось только о хопфионах фундаментального порядка с единичным числом Хопфа, говорят исследователи, чья работа опубликована в журнале Advanced Photonics. Осталось изучить генерацию и свойства фотонных хопфионов более высокого порядка и их топологическую настройку спиновой текстуры.

«Мы представляем новое и очень необычное семейство трехмерных топологических солитонов в структурированном свете, фотонных хопфионов, чьи топологические текстуры и топологические числа могут свободно и независимо настраиваться, что выходит далеко за рамки ранее описанных фиксированных топологических текстур низкого порядка«, — объясняет первый автор исследования, Ицзе Шен, из Университета Саутгемптона.

Шен и его коллеги продемонстрировали генерацию поляризационных моделей с топологически стабильными свойствами в трех измерениях, которые впервые могут быть преобразованы и распространяться контролируемым образом в свободном пространстве. Трехмерные топологические солитоны, такие как хопфионы, представляют собой трехмерные локализованные конфигурации непрерывного поля с нетривиальными структурами частиц, которые проявляют множество важных топологических свойств, отмечают они.

Принцип, применимый к другим типам топологических квазичастиц

Экспериментальная генерация и характеризация этого нового семейства хопфионов выявила «богатую структуру топологически защищенных поляризационных текстур». В отличие от предыдущих наблюдений хопфионов, локализованных в твердотельных материалах, команда обнаружила, что оптический хопфион способен распространяться в свободном пространстве с топологической защитой распределения поляризации. Именно эта надежная топологическая структура представляет интерес для развития оптических топологических вычислений и коммуникаций.

Исследователи отмечают, что эта недавно разработанная модель оптических топологических хопфионов может быть легко распространена на другие топологические образования более высокого порядка в других отраслях физики. Хопфионы высшего порядка трудно наблюдать в других областях, от физики высоких энергий до магнитных материалов. Оптический подход, предложенный Шеном и его сотрудниками, может обеспечить лучшее понимание этого сложного поля структур в других отраслях физики.