Ученые нашли поразительно простой способ создания необычных световых структур — так называемых оптических скирмионов. Для этого они возродили классический эксперимент по оптике, которому уже более 200 лет.
Оптический скирмион — это крошечная стабильная вихревая структура, которая формируется в световом поле. Его структуру часто сравнивают с иголками на спине ежа: в каждой точке направление вектора (например, электрического поля или поляризации) меняется, но вся структура в целом держится как единое образование. Благодаря устойчивости такие объекты интересны как потенциальные «ячейки» для оптических вычислений и передачи данных.
Вместо использования дорогих и сложных метаматериалов, которые традиционно требовались для создания оптических скирмионов, специалисты Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU) показали, что оптические скирмионы можно генерировать, используя хорошо известное ученым явление — пятно Пуассона. Если осветить круглый диск когерентным источником, например, лазером, в центре его тени возникает яркая точка, хотя, казалось бы, там должна быть полная темнота. Это следствие дифракции — способности света огибать препятствия и «расплываться», и это явление было обнаружено в ходе оптического эксперимента более 200 лет назад.
Именно вокруг этого пятна ученые обнаружили сложные топологические структуры в световом поле, которые и оказались оптическими скирмионами. Более того, в одной и той же конфигурации им удалось сразу увидеть до четырех родственных типов таких образований: спиновые скирмионы, скирмионы Стокса, а также скирмионы электрического и магнитного полей. Спин связан с «вращательными» свойствами света, а параметры Стокса описывают поляризацию — направление колебаний световой волны.
Компьютерное моделирование показало эти структуры в виде «карт» из стрелок, которые наглядно демонстрируют, как меняется направление различных свойств света в области пятна Пуассона. При этом разные компоненты — спин, поляризация, электрическое и магнитное поля — тесно связаны между собой, но не обязательно образуют одинаковые узоры.
«Оптические скирмионы теперь можно получать с помощью простого эффекта огибания света вокруг объекта, без сложных и дорогих метаматериалов», — подчеркивает руководитель исследования ассистент-профессор Шень Ицзе. Это серьезно снижает порог входа для лабораторий по всему миру и открывает дорогу для систематических исследований, которые позволят выяснить, как управлять размером и формой таких структур, как они взаимодействуют и как их можно использовать в фотонике и вычислительных системах.
Скирмионы впервые появились в теории элементарных частиц, затем стали важной темой в физике магнитных материалов, а сейчас активно изучаются в оптике. Работа сингапурских ученых закладывает простую экспериментальную базу для дальнейшего изучения топологического света и возможных сфер его применения — от новых типов оптической памяти до компонентов будущих фотонных компьютеров.
