Хопфионы превращаются в решётки: открытие, которое ломает привычные законы физики

Международная команда из Сингапура и Японии предложила способ создавать удивительные структуры света — "хопфионы", которые формируют повторяющиеся кристаллы не только в пространстве, но и во времени.

Эти трёхмерные топологические узлы раньше наблюдали в магнитах и световых полях, но в основном как единичные объекты. Теперь учёные показали, как собирать их в регулярные массивы, сравнимые с атомными решётками, только узор повторяется ещё и по времени.

Как это работает

Ключ к созданию хопфионов — особое двухцветное поле. В нём электрический вектор меняет поляризацию во времени, а тщательно подобранные лучи с разными модами и противоположной поляризацией создают "псевдоспин". Когда частоты связаны простым соотношением, возникает периодическое биение: поле рождает цепочку хопфионов, повторяющихся каждый цикл.

Из такой одномерной структуры можно переходить к более сложным версиям. Учёные показали, что можно изменять "силу" топологии, задавая число закруток внутренних петель или даже меняя их знак — достаточно поменять местами длины волн.

Пространственно-временные кристаллы

Авторы пошли дальше и описали, как собирать трёхмерные решётки хопфионов из множества крошечных источников света с нужной фазой и поляризацией.

Такая сеть делится на субъячейки с противоположной топологией, но сохраняет строгий повторяющийся рисунок. Для практической реализации предлагаются дипольные решётки, решётчатые ответвители и даже микроволновые антенны.

В отличие от прежних экспериментов, где узлы формировались за счёт дифракции вдоль луча, здесь всё работает в плоской области, а основу задаёт ритмическое биение.

Зачем это нужно

Топологические текстуры уже произвели революцию в хранении данных и маршрутизации сигналов. Теперь же к ним могут присоединиться хопфионные кристаллы. Они открывают перспективы многомерного кодирования, надёжной связи, новых способов захвата атомов и взаимодействия света и материи.

"Появление пространственно-временных кристаллов хопфионов, — пишут авторы, — открывает путь к сжатой, надёжной топологической обработке информации в оптическом, терагерцовом и микроволновом диапазонах".

Уточнения

Тополо́гия (от др.-греч. τόπος — место и λόγος — слово, учение) — раздел математики, ныне называемый топологией, берёт своё начало с изучения некоторых задач геометрии.