Фотонные хопфионы: Свет в форме кольца дыма, который ведет себя как частица

Исследователи сообщают о новом, очень необычном, структурированном световом семействе 3D топологических солитонов, фотонных хопфионов, где топологические текстуры и топологические числа могут свободно и независимо настраиваться.

В повседневной жизни мы часто можем встретить локализованную волновую структуру, которая сохраняет свою форму во время распространения - представьте себе кольцо дыма, летящее в воздухе, рассказывают в международном обществе по оптике и фотонике SPIE.

Подобные стабильные структуры изучались в различных областях исследований и встречаются в магнитах, ядерных системах и физике частиц. В отличие от кольца дыма, их можно сделать устойчивыми к возмущениям. Это известно в математике и физике как топологическая защита.

Типичным примером является наноразмерная ураганоподобная текстура магнитного поля в магнитных тонких пленках, которые ведут себя как частицы, то есть не меняют свою форму, называемые скирмионами. Подобные пончикообразные (или тороидальные) узоры в трехмерном пространстве, визуализирующие сложные пространственные распределения различных свойств волны, называются хопфионами. Достижение таких структур с помощью световых волн очень труднодостижимо.

Недавние исследования структурированного света обнаружили сильные пространственные вариации поляризации, фазы и амплитуды, которые позволяют понять и открывают возможности для проектирования топологически стабильных оптических структур, которые ведут себя как частицы. Такие квазичастицы света с контролем различных топологических свойств могут иметь большой потенциал, например, как носители информации нового поколения для оптической передачи информации сверхбольшой емкости, а также в квантовых технологиях.

Как сообщается в журнале Advanced Photonics, сотрудничество физиков из Великобритании и Китая недавно продемонстрировало генерацию поляризационных паттернов с заданными топологически стабильными свойствами в трех измерениях, которые впервые могут контролируемо преобразовываться и распространяться в свободном пространстве.

Как следствие этого понимания, предлагается несколько значительных достижений и новых перспектив. "Мы сообщаем о новом, очень необычном, структурированном световом семействе трехмерных топологических солитонов - фотонных хопфионов, где топологические текстуры и топологические числа могут свободно и независимо настраиваться, выходя далеко за пределы ранее описанных фиксированных топологических текстур самого низкого порядка", - говорит Йиджи Шен из Саутгемптонского университета, ведущий автор статьи.

"Наши результаты иллюстрируют огромную красоту легких структур. Мы надеемся, что они вдохновят на дальнейшие исследования в направлении потенциального применения топологически защищенных световых конфигураций в оптической связи, квантовых технологиях, взаимодействии света и материи, микроскопии сверхразрешения и метрологии", - говорит Анатолий Заяц, профессор Королевского колледжа Лондона и руководитель проекта.

В этой работе представлены теоретические основы, описывающие возникновение этого семейства хопфионов, а также их экспериментальная генерация и характеризация, выявляющая богатую структуру топологически защищенных поляризационных текстур. В отличие от предыдущих наблюдений хопфионов, локализованных в твердотельных материалах, эта работа демонстрирует, что, как ни странно, оптический хопфион может распространяться в свободном пространстве с топологической защитой распределения поляризации.

Надежная топологическая структура продемонстрированных фотонных хопфионов при распространении часто востребована в приложениях.

Эта недавно разработанная модель оптических топологических хопфионов может быть легко распространена на другие топологические образования высшего порядка в других областях физики. Хопфионы высшего порядка все еще являются большой проблемой для наблюдения в других областях физики, от физики высоких энергий до магнитных материалов. Оптический подход, предложенный в этой работе, может обеспечить более глубокое понимание этой сложной области структур в других областях физики.

українською