Научный прорыв в Сингапуре: обычный лазер заменил сложнейшие метаматериалы в физике

Физики из Технологического университета Наньянга (NTU Singapore) нашли способ создавать стабильные световые структуры, называемые оптическими скирмионами, без использования дорогостоящих метаматериалов. Исследователи применили классический эффект дифракции света, что упрощает генерацию и изучение этих объектов. Работа опубликована в журнале Optica.

Оптические скирмионы представляют собой частицеподобные вихревые структуры в свойствах света. Их топология напоминает иголки ежа, направленные в разные стороны. Благодаря своей устойчивости к деформациям, такие структуры перспективны для создания новых систем хранения данных, средств связи и фотонных вычислений.

Метод на основе пятна Пуассона

Для создания скирмионов группа под руководством доцента Шэнь Ицзе использовала эффект "пятна Пуассона". Этот феномен возникает, когда когерентный источник света (лазер) направляется на небольшой круглый диск: в центре тени от диска появляется яркая светлая точка. Это происходит из-за дифракции — способности световых волн огибать препятствия.

Раньше для получения подобных структур требовались метаматериалы — искусственно созданные микроструктуры, которые меняют свет способами, недоступными обычным веществам. Новый подход позволяет обойтись простым оптическим набором, что делает технологию доступнее для широкого круга ученых.

Учёный-физик Дмитрий Лапшин поясняет, что упрощение метода генерации позволяет исследователям сосредоточиться не на сложности создания объекта, а на изучении его физических свойств и взаимодействий.

Четыре структуры в одном луче

В ходе экспериментов ученые обнаружили, что система с пятном Пуассона способна одновременно создавать четыре типа топологических полей: спиновые, стоксовы, электрические и магнитные скирмионы. Спин описывает вращательные характеристики света, а параметры Стокса определяют поляризацию — направление вибрации световых волн.

Компьютерное моделирование показало, что в пределах одного светового пятна разные свойства света меняют направление, образуя вихревые массивы стрелок. Возможность наблюдать несколько типов скирмионов в одном поле позволяет сравнивать их поведение и искать связи между электрическими и магнитными свойствами света.

Результат уточняет механизмы формирования топологических структур в оптике, однако авторы пока не протестировали практическое применение этих скирмионов в реальных вычислительных устройствах. Для этого потребуется разработка способов точного управления размером и формой структур в динамическом режиме.