Дослідники з Наньянського технологічного університету в Сінгапурі знайшли несподіване застосування одному з найвідоміших фізичних експериментів XIX століття. Використавши класичний світловий ефект, відомий як пляма Пуассона, вони змогли створити незвичайні світлові структури — оптичні скірміони, які в майбутньому можуть стати основою нових технологій у сфері фотоніки, зберігання інформації та обчислювальної техніки. Результати дослідження опубліковано в науковому журналі Optica.
Давній експеримент отримав нове життя
Пляма Пуассона — це яскрава світлова точка, яка виникає в самому центрі тіні від круглого непрозорого диска, якщо його освітити когерентним світлом, наприклад лазером.
Двісті років тому саме цей ефект став одним із головних доказів того, що світло поводиться не лише як потік частинок, а й як хвиля. Завдяки явищу дифракції світлові хвилі огинають перешкоду, утворюючи несподіване світле місце там, де, здавалося б, мала бути суцільна темрява. Тепер ця класична демонстрація фізики стала основою для сучасного наукового відкриття.
Що таке оптичні скірміони
Оптичні скірміони — це особливі просторові структури світла, у яких різні характеристики світлового поля формують складні закручені візерунки. Науковці порівнюють їх із голками їжака, що розходяться в різні боки.
Подібні структури викликають великий інтерес серед фізиків, адже вони можуть стабільно зберігати інформацію навіть за зовнішніх впливів. Саме тому скірміони вважають перспективними кандидатами для використання у майбутніх комп’ютерах, системах передачі даних і пристроях пам’яті нового покоління.
Простий метод замість дорогих матеріалів
Раніше для створення оптичних скірміонів використовували складні штучні матеріали — метаматеріали, виготовлення яких потребує дорогого обладнання та високої точності. Команда під керівництвом доцента Шень Їцзе запропонувала значно простіший підхід.
Дослідники спрямували лазерний промінь на невеликий круглий диск, використавши природний ефект дифракції світла. Саме в області плями Пуассона їм вдалося сформувати необхідні топологічні структури без використання спеціальних наноматеріалів. За словами авторів роботи, це значно знижує технічний бар’єр для дослідження скірміонів.
Одразу чотири види структур
Одним із найцікавіших результатів стало те, що новий метод дозволив одночасно сформувати чотири різні типи оптичних скірміонів в одному світловому полі.
Серед них:
- спінові скірміони;
- скірміони Стокса;
- скірміони електричного поля;
- скірміони магнітного поля.
Кожен із цих типів відображає різні фізичні властивості світла — напрямок його поляризації, характеристики електричного та магнітного полів або особливості спіну.
Комп’ютерне моделювання показало, що всі ці структури мають вигляд складних вихорів зі стрілок, які змінюють свій напрямок у межах світлової плями.
Чому це важливо
Світло має безліч параметрів, які можна контролювати: інтенсивність, фазу, поляризацію, напрямок електричного й магнітного полів.
Усі вони здатні формувати стійкі топологічні структури, які практично не руйнуються навіть під час деформації. Це робить скірміони надзвичайно перспективними для технологій, де потрібне надійне зберігання або передача інформації.
Новий метод дозволяє не лише створювати ці структури, а й одночасно порівнювати їхню поведінку в одному експерименті, що відкриває нові можливості для фундаментальних досліджень.
Крок до комп’ютерів майбутнього
Поняття скірміонів спочатку з’явилося у фізиці елементарних частинок, згодом їх почали активно вивчати у магнітних матеріалах, а останніми роками вони стали одним із найперспективніших напрямів сучасної фотоніки.
На думку авторів дослідження, запропонована технологія може прискорити розвиток нових фотонних пристроїв, систем обробки інформації та енергоефективних обчислювальних платформ.
Хоча до практичного використання ще потрібні додаткові дослідження, сама можливість отримувати складні оптичні структури за допомогою простого лазера й невеликого диска демонструє, що навіть відкриття двохсотрічної давнини можуть стати фундаментом для технологій майбутнього.