Свету можно придать форму, напоминающую скрученное кольцо дыма. Авторы и права: Ю. Шен и З. Чжу.

В нашей повседневной жизни мы часто можем встретить локализованную волновую структуру, которая сохраняет свою форму при распространении — представьте себе кольцо дыма, летящее в воздухе. Подобные стабильные структуры изучались в различных областях 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 труднодостижимо.

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.

Как сообщается в журнале Advanced Photonics, 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.

(a) Сфера пространства параметров, представляющая вращение: градусы долготы и широты (α и β) параметрической 2-сферы представлены цветовым оттенком и его яркостью (темный к южному полюсу, где вращение направлено вниз, и яркий к северному полюсу, где вращение вверх). Каждая точка на параметрической 2-сфере соответствует замкнутой изоспиновой линии, расположенной в трехмерном евклидовом пространстве. (b) Линии, проецируемые из выбранных точек одной широты β и разной долготы α на гиперсферу (выделены сплошными точками соответствующего цвета), образуют торические узлы, покрывающие тор (с разными торами, соответствующими разным β) . (c) Визуализация в реальном пространстве расслоения Хопфа как полного стереографического отображения гиперсферы: торические узлы, расположенные на множестве коаксиально вложенных торов, причем каждый тор соответствует разной широте β параметрической 2-сферы. Черный кружок соответствует южному полюсу (вращение вниз), а ось вложенных торов соответствует северному полюсу (вращение вверх) на (а). (d) Трехмерное распределение спина в хопфионе, соответствующее контурам изоспина на (c), где каждый вектор спина окрашен своими параметрами α и β параметрической сферы на (a), как показано на вставке. (e, f) Поперечное сечение спинового распределения на (d): (e) xy (z = 0) и (f) yz (x = 0) сечения показывают скирмиоподобные структуры с серыми стрелками. отмечая завихренность скирмионов. Цветовая шкала такая же, как и соответствующая направлению вращения на (d). Авторы и права: Шен и др., doi 10.1117/1.AP.5.1.015001 Черный кружок соответствует южному полюсу (вращение вниз), а ось вложенных торов соответствует северному полюсу (вращение вверх) на (а). (d) Трехмерное распределение спина в хопфионе, соответствующее контурам изоспина на (c), где каждый вектор спина окрашен своими параметрами α и β параметрической сферы на (a), как показано на вставке. (e, f) Поперечное сечение спинового распределения на (d): (e) xy (z = 0) и (f) yz (x = 0) сечения показывают скирмиоподобные структуры с серыми стрелками. отмечая завихренность скирмионов. Цветовая шкала такая же, как и соответствующая направлению вращения на (d). Авторы и права: Шен и др., doi 10.1117/1.AP.5.1.015001 Черный кружок соответствует южному полюсу (вращение вниз), а ось вложенных торов соответствует северному полюсу (вращение вверх) на (а). (d) Трехмерное распределение спина в хопфионе, соответствующее контурам изоспина на (c), где каждый вектор спина окрашен своими параметрами α и β параметрической сферы на (a), как показано на вставке. (e, f) Поперечное сечение спинового распределения на (d): (e) xy (z = 0) и (f) yz (x = 0) сечения показывают скирмиоподобные структуры с серыми стрелками. отмечая завихренность скирмионов. Цветовая шкала такая же, как и соответствующая направлению вращения на (d). Авторы и права: Шен и др., doi 10.1117/1.AP.5.1.015001 соответствующие контурам изоспина в (c), где каждый вектор спина окрашен его параметрами α и β параметрической сферы в (a), как показано на вставке. (e, f) Поперечное сечение спинового распределения на (d): (e) xy (z = 0) и (f) yz (x = 0) сечения показывают скирмиоподобные структуры с серыми стрелками. отмечая завихренность скирмионов. Цветовая шкала такая же, как и соответствующая направлению вращения на (d). Авторы и права: Шен и др., doi 10.1117/1.AP.5.1.015001 соответствующие контурам изоспина в (c), где каждый вектор спина окрашен его параметрами α и β параметрической сферы в (a), как показано на вставке. (e, f) Поперечное сечение спинового распределения на (d): (e) xy (z = 0) и (f) yz (x = 0) сечения показывают скирмиоподобные структуры с серыми стрелками. отмечая завихренность скирмионов. Цветовая шкала такая же, как и соответствующая направлению вращения на (d). Авторы и права: Шен и др., doi 10.1117/1.AP.5.1.015001

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». — говорит Иджи Шен из Университета Саутгемптона в Великобритании, ведущий автор статьи.

«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», — говорит Анатолий Заяц, профессор в Королевском колледже Лондона и руководитель проекта.

Эта 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.