Hopfions fotonik: Berbentuk cahaya seperti cincin asap yang berkelakuan seperti zarah

Cahaya berbentuk cincin asap berkelakuan seperti zarah

Cahaya boleh dibentuk menjadi struktur yang menyerupai cincin asap berpintal. Kredit: Y. Shen dan Z. Zhu.

Kita sering dapati dalam kehidupan seharian kita struktur gelombang setempat yang mengekalkan bentuknya semasa perambatan—gambarkan gelang asap terbang di udara. Struktur stabil yang serupa telah dikaji dalam pelbagai bidang penyelidikan dan boleh didapati dalam magnet, sistem nuklear, dan fizik zarah. Berbeza dengan cincin asap, mereka boleh dibuat tahan terhadap gangguan. Ini dikenali dalam matematik dan fizik sebagai perlindungan topologi.

Contoh biasa ialah tekstur seperti taufan skala nano bagi medan magnet dalam filem nipis magnet, berkelakuan sebagai zarah—iaitu, tidak mengubah bentuknya—yang dipanggil skyrmions. Corak berbentuk donat (atau toroidal) yang serupa dalam ruang 3D, menggambarkan taburan spatial kompleks pelbagai sifat gelombang, dipanggil hopfion. Mencapai struktur tersebut dengan gelombang cahaya adalah sangat sukar difahami.

Kajian terbaru tentang cahaya berstruktur mendedahkan variasi spatial yang kuat bagi polarisasi, fasa dan amplitud, yang membolehkan pemahaman dan membuka peluang untuk mereka bentuk struktur optik yang stabil secara topologi yang berkelakuan seperti zarah. Kuasipartikel cahaya sedemikian dengan kawalan sifat topologi terpelbagai mungkin mempunyai potensi besar, contohnya sebagai pembawa maklumat generasi akan datang untuk pemindahan maklumat optik berkapasiti ultra besar, serta dalam teknologi kuantum.

Seperti yang dilaporkan dalam Fotonik Lanjutanahli fizik yang bekerjasama dari UK dan China baru-baru ini menunjukkan penjanaan corak polarisasi dengan ciri-ciri stabil topologi yang direka dalam tiga dimensi, yang, buat pertama kalinya, boleh diubah secara terkawal dan disebarkan dalam ruang bebas.

Cahaya berbentuk cincin asap berkelakuan seperti zarah

(a) Sfera ruang parameter yang mewakili putaran: darjah longitud dan latitud (α dan β) bagi sfera 2 parametrik diwakili oleh warna rona dan kecerahannya (gelap ke arah kutub selatan, di mana putaran ke bawah, dan cerah ke arah kutub utara, di mana putaran naik). Setiap titik pada 2-sfera parametrik sepadan dengan garis iso-spin tertutup yang terletak dalam ruang Euclidean 3D. (b) Garisan yang diunjurkan daripada titik terpilih bagi latitud β yang sama dan longitud α berbeza pada hipersfera (diserlahkan oleh titik-titik pepejal dengan warna rona yang sepadan), membentuk simpul torus yang meliputi torus (dengan tori berbeza sepadan dengan β yang berbeza) . (c) Visualisasi ruang nyata gentian Hopf sebagai pemetaan stereografik penuh daripada hipersfera: simpul torus disusun pada set tori bersarang sepaksi, dengan setiap torus sepadan dengan latitud β berbeza bagi 2 sfera berparameter. Bulatan hitam sepadan dengan kutub selatan (spin ke bawah) dan paksi tori bersarang sepadan dengan kutub utara (spin up) di (a). (d) Taburan putaran 3D dalam hopfion, sepadan dengan kontur isospin dalam (c) dengan setiap vektor putaran diwarnakan oleh parameter α dan β bagi sfera parametrik dalam (a) seperti yang ditunjukkan dalam sisipan. (e, f) Pandangan keratan rentas taburan putaran dalam (d): (e) xy (z = 0) dan (f) yz (x = 0) keratan rentas menunjukkan struktur seperti skyrmion dengan anak panah kelabu menandakan vorticity skyrmions. Skala warna adalah sama seperti yang sepadan dengan arah putaran dalam (d). Kredit: Shen et al., doi 10.1117/1.AP.5.1.015001

Akibat daripada pandangan ini, beberapa kemajuan penting dan perspektif baharu ditawarkan. “Kami melaporkan keluarga soliton topologi 3D yang baru, sangat luar biasa, cahaya berstruktur, hopfion fotonik, di mana tekstur topologi dan nombor topologi boleh ditala secara bebas dan bebas, menjangkau jauh melebihi tekstur topologi tetap yang diterangkan sebelumnya pada susunan terendah,” kata Yijie Shen dari University of Southampton di UK, pengarang utama kertas itu.

“Hasil kami menggambarkan keindahan besar struktur cahaya. Kami berharap ia akan memberi inspirasi kepada penyiasatan lanjut ke arah potensi aplikasi konfigurasi cahaya yang dilindungi topologi dalam komunikasi optik, teknologi kuantum, interaksi jirim cahaya, mikroskop resolusi super dan metrologi,” kata Anatoly Zayats, profesor di King’s College London dan peneraju projek.

Kerja ini menyediakan latar belakang teori yang menerangkan kemunculan keluarga hopfions ini dan penjanaan dan pencirian eksperimen mereka, mendedahkan struktur yang kaya dengan tekstur polarisasi yang dilindungi secara topologi. Berbeza dengan pemerhatian sebelumnya terhadap hopfion yang dilokalkan dalam bahan keadaan pepejal, kerja ini menunjukkan bahawa, secara berlawanan dengan intuisi, hopfion optik boleh merambat dalam ruang kosong dengan perlindungan topologi taburan polarisasi.

Struktur topologi teguh bagi hopfion fotonik yang ditunjukkan semasa pembiakan sering dicari dalam aplikasi.

Model hopfion topologi optik yang baru dibangunkan ini boleh diperluaskan dengan mudah kepada pembentukan topologi peringkat tinggi lain dalam cabang fizik yang lain. Hopfion peringkat tinggi masih merupakan cabaran yang hebat untuk diperhatikan dalam komuniti fizik lain, daripada fizik bertenaga tinggi kepada bahan magnetik. Pendekatan optik yang dicadangkan dalam kerja ini mungkin memberikan pemahaman yang lebih mendalam tentang bidang struktur kompleks ini dalam cabang fizik yang lain.

Maklumat lanjut:
Yijie Shen et al, Transformasi topologi dan pengangkutan ruang bebas hopfion fotonik, Fotonik Lanjutan (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.1.015001

Petikan: Hopfions fotonik: Berbentuk cahaya seperti cincin asap yang berkelakuan seperti zarah (2023, 19 Januari) diambil 20 Januari 2023 daripada

Dokumen ini tertakluk kepada hak cipta. Selain daripada sebarang urusan adil untuk tujuan kajian atau penyelidikan persendirian, tiada bahagian boleh diterbitkan semula tanpa kebenaran bertulis. Kandungan disediakan untuk tujuan maklumat sahaja.

We would love to say thanks to the writer of this post for this awesome material

Hopfions fotonik: Berbentuk cahaya seperti cincin asap yang berkelakuan seperti zarah


You can view our social media profiles here as well as other pages on related topics here.https://paw6.info/related-pages/