Prosta maszyna laserowa wykonuje złożoną pracę we współczesnej fizyce. Naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang (NTU) w Singapurze odkryli zaskakujący, tani sposób generowania egzotycznych struktur świetlnych zwanych skyrmionami optycznymi. Wyeliminowali drogie i specjalistyczne metamateriały, które są zwykle wymagane do tego zadania. Zamiast tego wykorzystali znane od dwóch stuleci zjawisko załamania światła.
Ta metoda zamienia plamkę Poissona w narzędzie robocze. Rzecz w tym, że laser spada na mały dysk. Następnie wchodzi w grę dyfrakcja. Rezultatem jest trwały, wirujący wzór w świetle. Zdaniem naukowców struktury te przypominają kolce jeża. Są ważne, ponieważ skyrmiony mogą przechowywać informacje. Są stabilne, kompaktowe i niezawodne. Jest to idealne rozwiązanie dla przyszłych systemów przechowywania. Są one również obiecujące w dziedzinie obliczeń optycznych.
Spot Poissona: od XIX-wiecznego zakładu do silnika fotonicznego
Aby zrozumieć, dlaczego to jest fajne, musisz spojrzeć na historię. A dokładniej, na zakład. Na początku XIX wieku fizycy debatowali nad prawdziwą naturą światła. Cząstka czy fala? Simeon Poisson, zwolennik teorii korpuskularnej, przeprowadził obliczenia teorii falowej. Przewidział, że jasny rozbłysk światła powinien pojawić się w samym środku okrągłego cienia.
Oczywiście niewiele osób wierzyło, że w środku cienia może znajdować się coś dobrego.
Gdyby w środku cienia rzeczywiście znajdowała się ciemność, teoria fal upadłaby. Ale tak się nie stało. Pojawił się jasny punkt. Zwyciężyła teoria fal. To wydarzenie nazywa się teraz plamką Poissona. Dowodzi to istnienia dyfrakcji. Światło się załamuje. Spready. Zaokrągla rogi.
Adiunkt Shen Yijie i jego zespół z NTU wykorzystali tę prostą dyfrakcję do stworzenia skyrmionów. Żadnych skomplikowanych materiałów. Tylko światło padające na obiekt i jego naturalne zachowanie.
„Teraz można generować optyczne skyrmiony… bez konieczności stosowania drogich, złożonych sztucznych materiałów lub wysoce specjalistycznych technik”.
To ogromne uproszczenie. Wcześniej tworzenie takich struktur oznaczało budowanie kosztownych mikrostruktur zaprojektowanych specjalnie do skręcania światła. A tutaj? Dysk. Laser. Dyfrakcja. Zmniejszenie bariery technicznej oznacza, że więcej laboratoriów będzie mogło pracować w tym kierunku.
Generowanie czterech skyrmionów w jednej wiązce
Instalacja tworzy więcej niż jeden skyrmion. Tworzy cztery. Jednocześnie. Wewnątrz jednego pola świetlnego.
Zespół zidentyfikował następujące typy:
1. Skyrmiony spinowe: związane z rotacyjną charakterystyką światła.
2. Stokesowskie skyrmiony: opisane wektorami polaryzacji (jak wibruje światło).
3. Skyrmiony pola elektrycznego.
4. Skyrmiony pola magnetycznego.
Pomyśl o tym, jak o czterech różnych mapach tego samego obszaru narysowanych na jednej kartce papieru. Modele komputerowe pokazują je jako wirujące strzałki. Strzałki pokazują, jak właściwości elektryczne, magnetyczne i spinowe zmieniają kierunek w miarę oddalania się od środka plamki Poissona.
Dlaczego ważne jest, aby były one zgrupowane razem? Badania nad izolacją mogą przesłaniać relacje. Trzymając te elementy w jednym miejscu, badacze mogą zobaczyć, w jaki sposób są ze sobą powiązane. Właściwości elektryczne i magnetyczne mogą być ze sobą powiązane w sposób, którego jeszcze nie widzieliśmy. Jeśli konstrukcja zostanie rozciągnięta lub zniekształcona, zachowuje swoją integralność. Stabilność jest kluczem do przesyłania danych.
Dlaczego skyrmiony optyczne są lepsze od tradycyjnych podejść do pamięci
Skyrmiony wywodzą się z fizyki cząstek elementarnych. Następnie przenieśli się do materiałów magnetycznych. Teraz są tutaj w fotonice. Dlaczego nastąpił zwrot? Ponieważ magnetyczne przechowywanie danych osiąga fizyczne granice. Dalsze zmniejszanie bitów staje się trudniejsze. Światło nie nagrzewa się. Światło porusza się z prędkością światła. A skyrmiony optyczne są małe. Stabilny.
Tradycyjne metody tworzenia wymagały metamateriałów – sztucznie zaprojektowanych mikrostruktur. Skuteczne, na pewno. Ale to jest drogie. Trudne do skalowania. Trudno dostępny.
Metoda punktowa Poissona pozwala uniknąć tych problemów. Opiera się na prawach naturalnych. Ta dostępność to prawdziwy przełom. Nie chodzi tylko o tworzenie światła. Chodzi o włączenie szerszej społeczności naukowej w eksperymenty z zakresu optyki topologicznej. Jeśli jakikolwiek uniwersytet posiadający przyzwoity laser i dysk przypominający monetę będzie w stanie stworzyć takie struktury, pole będzie się rozwijać szybciej.
Przyszłość fotoniki topologicznej
Niniejsze badanie to coś więcej niż tylko dodanie nowego artykułu do stosu publikacji. Zmienia to sposób, w jaki patrzymy na plamę Poissona. Nie tylko jako ciekawostka historyczna, ale jako uniwersalny warsztat. Dostosowanie warunków – długości fali, rozmiaru dysku – pozwala badaczom dostosować rozmiar i kształt tych skyrmionów. Precyzyjne sterowanie skutkuje niezawodnymi urządzeniami.
Badanie prowadził Shen Yijie z NTU wraz z Jun Yao, Xi Xie i innymi. Praca została opublikowana w czasopiśmie Optica. Konsekwencje rozciągają się na przetwarzanie informacji. I być może w końcu do komputerów przetwarzających informacje przy użyciu światła, a nie elektronów. Brak ogrzewania oporowego. Nie ma tłumienia sygnału na dużych dystansach w ten sam sposób.
Czy zastąpi silikon? Mało prawdopodobne, że jutro. Ale oferuje nowy sposób. Zbudowany na świetle zaokrąglającym róg.
Badanie jest dostępne pod tytułem „Skyrmiony optyczne w plamkach Poissona”. Solidne przypomnienie, że czasami odpowiedzi, których szukaliśmy, czaiły się w cieniu, czekając na odpowiedni kąt widzenia.
