Эксперимент 200-летней давности поможет создать компьютеры будущего

Пятно Пуассона содержит четыре типа скирмионов в одном световом пятне. Credit: Optica / NTU Singapore

Ученые Наньянского технологического университета (NTU Singapore) нашли гораздо более простой способ создания необычных световых структур, известных как оптические скирмионы, возродив классический оптический эксперимент, которому более 200 лет.

Оптические скирмионы — это крошечные стабильные вихревые структуры, формирующиеся в свойствах света. Их структуру часто сравнивают с иголками ежа. Поскольку они потенциально могут кодировать и хранить информацию, исследователи видят в них перспективные строительные блоки для будущих технологий хранения данных, связи и вычислений.

Вместо того чтобы полагаться на дорогие, сложные метаматериалы, которые традиционно требовались для генерации оптических скирмионов, команда NTU создала их, направив лазер на небольшой круглый диск. Этот подход обеспечивает гораздо более простой способ производства, изучения и контроля этих сложных световых структур.

Результаты, опубликованные в журнале Optica, были получены под руководством доцента NTU Шэнь Ицзе из Школы физических и математических наук и Школы электротехники и электроники NTU.

«Что примечательно, так это то, что оптические скирмионы теперь можно генерировать, используя простой эффект огибания света вокруг объекта, без использования дорогих, сложных искусственных метаматериалов или узкоспециализированных методов», — объяснил доцент Шэнь.

«Это может сделать оптические скирмионы гораздо более доступными для исследователей. Снижая технический барьер для их создания и изучения, метод открывает новые возможности для ученых изучать, как их можно использовать в будущих исследованиях в области оптики, материалов и вычислений».

Классическое световое явление находит новое применение

Прорыв основан на пятне Пуассона — хорошо известном оптическом явлении, при котором яркая точка появляется в центре тени, отбрасываемой круглым объектом при освещении когерентным источником света, таким как лазер.

Пятно Пуассона сыграло важную роль в споре начала XIX века о природе света. В то время ученые сомневались, распространяется ли свет только как частицы по прямым линиям или ведет себя как волны, которые могут изгибаться и распространяться.

Волновая теория предсказывала, что яркая точка должна появиться в центре тени диска, где в противном случае ожидалась бы полная темнота. Наблюдение пятна Пуассона предоставило убедительное доказательство того, что свет подвергается дифракции, то есть изгибается и распространяется, проходя вокруг объектов или через небольшие отверстия.

Четыре типа оптических скирмионов одновременно

Исследователи также обнаружили, что их установка с пятном Пуассона естественным образом генерирует до четырех связанных топологических полевых структур одновременно.

К ним относятся спиновые скирмионы, скирмионы Стокса, скирмионы электрического поля и скирмионы магнитного поля. Спин относится к свойствам вращения света, в то время как параметры Стокса описывают поляризацию или направление, в котором световые волны колеблются при распространении.

Совместная генерация этих четырех типов может дать ученым уникальную возможность сравнить, как различные оптические скирмионы формируются, эволюционируют и взаимодействуют в одном и том же световом поле.

Компьютерное моделирование показало структуры в виде вращающихся массивов стрелок, которые иллюстрируют, как различные свойства света меняют направление в поперечном сечении пятна Пуассона.

Более простой способ управления сложным светом

Свет обладает многими характеристиками, которыми исследователи могут манипулировать, включая его интенсивность, фазу, поляризацию, спин, а также векторы электрического и магнитного поля.

Эти свойства могут быть организованы в топологические структуры — паттерны, которые остаются стабильными даже при растяжении или искажении. Регулируя условия, формирующие световое поле, ученые смогут точно контролировать размер, форму и поведение оптических скирмионов.

Доцент Шэнь сказал: «В созданном нами световом пятне несколько типов оптических векторов могли одновременно формировать топологические структуры. Эти различные компоненты света тесно связаны, но они не обязательно образуют идентичные топологические паттерны».

«Возможность создавать и сравнивать несколько скирмионов в одной системе может помочь исследователям обнаружить новые связи между электрическими, магнитными и другими физическими свойствами света».

Потенциальные применения в вычислениях и фотонике

Скирмионы были впервые предложены в физике частиц и ядерной физике, прежде чем позже стать важной областью изучения в физике конденсированного состояния и магнитных материалах. Совсем недавно ученые начали исследовать оптические скирмионы как стабильные, подобные частицам структуры, существующие в световых полях.

Более ранние методы получения оптических скирмионов полагались на метаматериалы — искусственно созданные микроскопические структуры, предназначенные для управления светом способами, недоступными для обычных материалов.

Заменив эти сложные системы гораздо более простой оптической установкой, работа команды NTU может сделать исследования оптических скирмионов более доступными. Результаты также создают основу для будущих исследований топологического света и могут способствовать прогрессу в фотонике, современных материалах, обработке информации и вычислительной технике следующего поколения.

Источники: