Фотонные прыжки: свет в форме кольца дыма, который ведет себя как частица

В повседневной жизни мы иногда можем встретить локализованную волновую структуру, которая сохраняет свою форму при распространении — представьте себе кольцо дыма, летящее в воздухе. Подобные стабильные структуры изучались в различных исследований и могут быть обнаружены в магнитах, ядерных системах и физике элементарных частиц. В отличие от кольца дыма их можно сделать устойчивыми к возмущениям. Это известно в математике и физике как топологическая защита.

Типичным примером является наноразмерная ураганоподобная текстура магнитного поля в тонких магнитных пленках, ведущих себя как частицы, то есть не меняющие своей формы, называемые скирмионами.

Подобные пончиковые (или тороидальные) узоры в трехмерном пространстве, визуализирующие сложные пространственные распределения различных свойств волны, называются хопфионами. Достижение таких структур с помощью световых волн очень проблематично.

Недавние исследования структурированного света выявили сильные пространственные вариации поляризации, фазы и амплитуды, которые позволяют понять и открывают возможности для разработки топологически стабильных оптических структур, ведущих себя как частицы.

Такие квазичастицы света с управлением разнообразными топологическими свойствами могут иметь большой потенциал, например, в качестве носителей информации следующего поколения для сверхбольшой оптической передачи информации, а также в квантовых технологиях.

Физики из Великобритании и Китая недавно продемонстрировали генерацию поляризационных паттернов с разработанными топологически стабильными свойствами в трех измерениях, которые впервые можно контролируемо преобразовывать и распространять в свободном пространстве.

Как следствие этого понимания, предлагается несколько значительных достижений и новых перспектив. «Мы сообщаем о новом, очень необычном семействе трехмерных топологических солитонов со структурированным светом, фотонных хопфионах, где топологические текстуры и топологические числа могут быть свободно и независимо настроены, выходя далеко за пределы ранее описанных фиксированных топологических текстур низшего порядка». — говорят ученые.

«Наши результаты иллюстрируют огромную красоту световых структур. Мы надеемся, что они вдохновят на дальнейшие исследования потенциальных приложений топологических защищенных световых конфигураций в оптических коммуникациях, квантовых технологиях, взаимодействиях света и вещества, микроскопии сверхвысокого разрешения и метрологии».

Работа обеспечивает теоретическую основу, описывающую появление этого семейства хопфионов и их экспериментальную генерацию и характеристику, раскрывая богатую структуру топологически защищенных поляризационных текстур.

В отличие от предыдущих наблюдений хопфионов, локализованных в твердотельных материалах, эта работа демонстрирует, что, вопреки интуиции, оптический хопфион может распространяться в свободном пространстве с топологической защитой распределения поляризации.

Надежная топологическая структура продемонстрированных фотонных прыжков при распространении часто используется в приложениях.

Эта недавно разработанная модель оптических топологических хопфионов может быть легко распространена на другие топологические образования более высокого порядка в других разделах физики. Хопфионы более высокого порядка все еще представляют собой серьезную проблему для наблюдения в других сообществах физиков, от физики высоких энергий до магнитных материалов. Предлагаемый в данной работе оптический подход может обеспечить более глубокое понимание этой сложной области структур в других разделах физики.

Исследование было опубликовано в Advanced Photonics.