Naukowcy z Nanyang Technological University w Singapurze opracowali nowatorską metodę tworzenia egzotycznych struktur świetlnych, zwanych skyrmionami optycznymi. Wykorzystali do tego klasyczne zjawisko fizyczne znane od ponad 200 lat – plamkę Poissona. Odkrycie to może znacząco przyspieszyć rozwój technologii przyszłości, w tym zaawansowanych systemów przechowywania danych, komunikacji oraz obliczeń kwantowych.
Powrót do klasyki: Czym jest plamka Poissona?
Plamka Poissona to zjawisko optyczne, w którym w samym centrum cienia rzucanego przez niewielki, okrągły obiekt oświetlony wiązką lasera pojawia się jasny punkt. W XIX wieku obserwacja ta odegrała kluczową rolę w sporze naukowym dotyczącym natury światła. Stała się ona dowodem na falową naturę światła, wykazując, że promienie uginają się i rozpraszają, przechodząc wokół przeszkód, zamiast poruszać się wyłącznie po liniach prostych.
Zespół badawczy pod kierownictwem profesora Shen Yijie z NTU Singapore wykorzystał ten historyczny efekt w nowoczesnym wydaniu. Zamiast polegać na kosztownych i skomplikowanych metamateriałach, które dotychczas były niezbędne do generowania skyrmionów optycznych, naukowcy użyli prostego układu z laserem i małą tarczą. Dzięki temu proces tworzenia tych złożonych struktur stał się znacznie bardziej dostępny dla środowiska naukowego.
Co niezwykłe, skyrmiony optyczne można teraz generować przy użyciu prostego efektu uginania się światła wokół obiektu, bez konieczności stosowania drogich, złożonych metamateriałów czy wysoce specjalistycznych technik. Może to uczynić skyrmiony optyczne znacznie bardziej dostępnymi dla badaczy. Obniżenie bariery technicznej otwiera nowe możliwości badania ich potencjalnego wykorzystania w przyszłych technologiach optycznych, materiałowych i obliczeniowych – wyjaśnia profesor Shen.
Cztery typy struktur w jednym punkcie
Najważniejszym osiągnięciem singapurskich naukowców jest możliwość jednoczesnego wytworzenia czterech różnych rodzajów topologicznych struktur polowych w obrębie jednej plamki świetlnej. Są to skyrmiony spinowe, Stokesa, pola elektrycznego oraz pola magnetycznego. Każdy z nich odnosi się do innych właściwości światła:
Możliwość jednoczesnego generowania i porównywania tych struktur w jednym układzie pozwala badaczom lepiej zrozumieć, jak różne właściwości światła oddziałują na siebie i ewoluują. Symulacje komputerowe potwierdziły, że struktury te tworzą stabilne, wirujące układy, które zachowują swój kształt nawet pod wpływem zniekształceń.
Przyszłość obliczeń i fotoniki
Skyrmiony, pierwotnie badane w fizyce cząstek elementarnych i materiałach magnetycznych, są obecnie postrzegane jako obiecujące jednostki informacji. Ze względu na swoją stabilność i właściwości przypominające cząstki, mogą stać się fundamentem dla nowej generacji pamięci komputerowych i systemów przetwarzania danych. Dzięki uproszczeniu metody ich wytwarzania, badania nad topologicznymi strukturami światła mogą nabrać tempa, prowadząc do przełomów w fotonice oraz inżynierii materiałowej.