Jednoduchý laserový stroj dělá složitou práci v moderní fyzice. Vědci z technologické univerzity Nanyang (NTU) v Singapuru našli překvapivý, levný způsob, jak generovat exotické světelné struktury zvané optické skyrmiony. Odstranili drahé a specializované metamateriály, které jsou pro tento úkol obvykle vyžadovány. Místo toho využili fenoménu lomu světla, známého po dvě století.
Tato metoda změní Poissonovu skvrnu na pracovní nástroj. Jde o to, že laser dopadá na malý disk. Dále přichází na řadu difrakce. Výsledkem je trvalý, vířivý vzor ve světle. Tyto struktury jsou podle vědců podobné ježčím páteřím. Jsou důležité, protože skyrmioni mohou uchovávat informace. Jsou stabilní, kompaktní a spolehlivé. To je ideální pro úložné systémy budoucnosti. Jsou také slibné pro optické výpočty.
Poissonovo místo: od sázky z 19. století k motoru fotoniky
Abyste pochopili, proč je to skvělé, musíte se podívat do historie. Nebo přesněji na sázku. Na počátku 19. století se fyzikové dohadovali o skutečné podstatě světla. Částice nebo vlna? Simeon Poisson, zastánce korpuskulární teorie, provedl výpočty vlnové teorie. Předpověděl, že v samém středu kruhového stínu by se měl objevit jasný záblesk světla.
Málokdo samozřejmě věřil, že uprostřed stínu může být něco dobrého.
Pokud by ve středu stínu skutečně byla tma, teorie vln by se zhroutila. To se ale nestalo. Objevil se světlý bod. Vlnová teorie zvítězila. Tento vrchol se nyní nazývá Poissonovo místo. Dokazuje existenci difrakce. Světlo se ohýbá. Pomazánky. Zaobluje rohy.
Pomocný profesor Shen Yijie a jeho tým na NTU použili tuto jednoduchou difrakci k vytvoření skyrmionů. Žádné složité materiály. Jen světlo dopadající na předmět a jeho přirozené chování.
“Optické skyrmiony lze nyní generovat… bez spoléhání se na drahé, složité umělé materiály nebo vysoce specializované techniky.”
To je obrovské zjednodušení. Dříve vytváření takových struktur znamenalo budování drahých mikrostruktur speciálně navržených pro kroucení světla. A tady? Disk. Laser. Difrakce. Snížení technické bariéry znamená, že v tomto směru bude moci pracovat více laboratoří.
Generování čtyř skyrmionů v jednom paprsku
Instalace vytváří více než jednoho skyrmiona. Vytvoří čtyři. Zároveň. Uvnitř jednoho světelného pole.
Tým identifikoval následující typy:
1. Spin skyrmions: spojené s rotačními charakteristikami světla.
2. Stokes skyrmions: popsané polarizačními vektory (jak světlo vibruje).
3. Skyrmioni elektrického pole.
4. Skyrmioni s magnetickým polem.
Představte si to tak, že máte na jednom listu papíru nakreslené čtyři různé mapy stejné oblasti. Počítačové modely je zobrazují jako vířící šipky. Šipky ukazují, jak elektrické, magnetické a spinové vlastnosti mění směr, když se vzdalujeme od středu Poissonovy skvrny.
Proč je důležité, aby byly seskupeny? Izolační studie mohou zatemnit vztahy. Udržením těchto komponent na jednom místě mohou výzkumníci vidět, jak jsou propojeny. Elektrické a magnetické vlastnosti spolu mohou souviset způsobem, který jsme dosud neviděli. Pokud je struktura natažená nebo zdeformovaná, zachovává si svou celistvost. Pro přenos dat je klíčová stabilita.
Proč jsou optické skyrmiony lepší než tradiční paměťové přístupy
Skyrmion má svůj původ v částicové fyzice. Poté se přesunuli do magnetických materiálů. Nyní jsou zde ve fotonice. Proč došlo k obratu? Protože magnetické ukládání dat dosahuje fyzických limitů. Stává se obtížnějším snížit další bity. Světlo se nezahřívá. Světlo se pohybuje rychlostí světla. A optické skyrmiony jsou malé. Stabilní.
Tradiční metody tvorby vyžadovaly metamateriály – uměle vytvořené mikrostruktury. Efektivní, určitě. Ale je to drahé. Obtížné měřítko. Obtížný přístup.
Metoda Poissonovy skvrny tyto problémy obchází. Opírá se o přírodní zákony. Tato dostupnost je skutečným průlomem. Není to jen o vytváření světla. Jde o to zapojit širší vědeckou komunitu do experimentů v oblasti topologické optiky. Pokud nějaká univerzita se slušným laserem a diskem podobným minci dokáže tyto struktury vytvořit, bude pole postupovat rychleji.
Budoucnost topologické fotoniky
Tato studie přináší více než jen přidání nového článku do hromady publikací. Mění to způsob, jakým se díváme na Poissonův patch. Nejen jako historická kuriozita, ale jako univerzální dílna. Úprava podmínek – vlnová délka, velikost disku – umožňuje výzkumníkům upravit velikost a tvar těchto skyrmionů. Přesné ovládání vede ke spolehlivým zařízením.
Studii vedl Shen Yijie z NTU spolu s Jun Yao, Xi Xie a dalšími. Práce byla publikována v časopise Optica. Důsledky se týkají zpracování informací. A možná nakonec k počítačům, které zpracovávají informace spíše pomocí světla než elektronů. Žádné odporové vytápění. Stejným způsobem nedochází k žádnému útlumu signálu na dlouhé vzdálenosti.
Nahradí křemík? Je nepravděpodobné, že zítra. Nabízí ale nový způsob. Postaveno na světle kolem rohu.
Studie je dostupná pod názvem “Optical skyrmions in Poisson spots.” Solidní připomínka toho, že odpovědi, které jsme hledali, někdy číhaly ve stínu a čekaly na správný pozorovací úhel.
