Учёные создали кристаллы из света, существующие в пространстве и времени

Концепция трёхмерного пространственно-временного кристалла хопфиона. Автор: Y. Shen et al.

Международная исследовательская группа из Сингапура и Японии представила проект по созданию экзотических кристаллов из узлоподобных структур света, которые повторяются как в пространстве, так и во времени. Работа описывает, как создавать и контролировать решётки «хопфионов» с использованием структурированных лучей двух разных цветов, что открывает перспективы для создания систем плотной и устойчивой обработки информации в фотонике.

Хопфионы представляют собой трёхмерные топологические текстуры, чьи внутренние «спиновые» паттерны сплетаются в замкнутые, переплетённые петли. Их наблюдали или теоретизировали в магнитах и световых полях, но ранее они в основном производились как изолированные объекты. Авторы показывают, как собрать их в упорядоченные массивы, которые периодически повторяются, подобно атомам в кристалле, только здесь паттерн повторяется как во времени, так и в пространстве.

Ключевым элементом является двухцветное световое поле, электрический вектор которого со временем меняет состояние поляризации. Тщательно накладывая лучи с разными пространственными модами и противоположными круговыми поляризациями, команда определяет «псевдоспин», который эволюционирует в контролируемом ритме. Когда два цвета установлены в простом соотношении, поле пульсирует с фиксированным периодом, создавая цепь хопфионов, повторяющихся каждый цикл.

Отталкиваясь от этой одномерной цепи, исследователи затем описывают, как создавать версии высшего порядка, чья топологическая сила может регулироваться. В их схеме можно настраивать целое число, которое подсчитывает, сколько раз внутренние петли закручиваются, и даже менять его знак, меняя две длины волн. В симуляциях результирующие поля демонстрируют почти идеальное топологическое качество при интегрировании за полный период.

Помимо повторения только во времени, в статье описывается путь к созданию настоящих трёхмерных кристаллов хопфионов: решётка в дальней зоне, образованная массивом крошечных излучателей с настроенной фазой и поляризацией, все работающие на двух близких цветах. Решётка естественным образом делится на подъячейки с противоположной локальной топологией, но сохраняет чистый, чередующийся паттерн по всей структуре. Авторы предлагают практические конфигурации с использованием дипольных массивов, решёточных соединителей или микроволновых антенн для реализации схемы источников.

В отличие от более ранних оптических хопфионов, которые полагались на дифракцию луча вдоль оси распространения, эта конструкция работает в объединённом пространственно-временном домене в фиксированной плоскости, где периодическая пульсация выполняет основную работу. Команда также обсуждает, когда структуры могут «летать» на некоторое расстояние, сохраняя свою топологию, и когда дифракция подрывает их целостность.

Почему это важно: топологические текстуры, такие как скирмионы, уже изменили представления о плотном, малошумящем хранении данных и маршрутизации сигналов. Расширение этого инструментария до кристаллов хопфионов в свете может открыть схемы высокоразмерного кодирования, устойчивые коммуникации, стратегии захвата атомов и новые свето-материальные взаимодействия.

«Рождение пространственно-временных кристаллов хопфионов», — пишут авторы, — открывает путь к конденсированной, устойчивой топологической обработке информации в оптической, терагерцовой и микроволновой областях.

Источники:

Материалы предоставлены Центром световых публикаций, Чанчуньский институт оптики, точной механики и физики, КАН.

Вэньбо Линь, Нило Мата-Сервера, Ясутомо Ота, Йиджи Шен, Сатоши Ивамото. Пространственно-временные оптические кристаллы хопфионов. Physical Review Letters, 2025; 135 (8) DOI: 10.1103/hh5s-cprt