Скирмионы могут летать — последние разработки в новом исследовании

Недавнее присуждение Нобелевской премии за достижения в области топологии в физике конденсированного состояния привело к новому всплеску топологии в оптике с последними достижениями в реализации топологических структур, подобных частицам конденсированного состояния, в фотонике.

Схемы пространственных топологических структур магнитных вихревых колец и скирмионов в сверхтороидальном световом импульсе. Серые точки и кольца отмечают распределение сингулярностей (седловые точки и вихревые кольца) в магнитном поле, большие розовые стрелки отмечают селективные направления магнитных векторов, а меньшие цветные стрелки показывают скирмионные структуры в магнитном поле. Предоставлено: Ицзе Шен (2021 г.).

В последнее время топологическая фотоника, особенно топологические электромагнитные импульсы, открывает перспективу для нетривиальных взаимодействий волны с веществом и обеспечивает дополнительные степени свободы для передачи информации и энергии.

Однако на сегодняшний день топология сверхбыстрых переходных электромагнитных импульсов практически не исследована.

В своей статье Nat. Общий., физики из Великобритании и Сингапура сообщают о новом семействе электромагнитных импульсов, точных решениях уравнения Максвелла с тороидальной топологией, в котором топологическую сложность можно непрерывно контролировать, а именно о супертороидальной топологии. Электромагнитные поля в таких сверхтороидальных импульсах имеют скирмионные структуры, поскольку они распространяются в свободном пространстве со скоростью света.

Скирмионы, сложные топологические частицы, первоначально предложенные Тони Скирмом в качестве единой модели нуклона в 1962 году, ведут себя как наноразмерные магнитные вихри с впечатляющими текстурами. Они широко изучались во многих системах конденсированного состояния, включая хиральные магниты и жидкие кристаллы, как нетривиальные возбуждения, показывающие большое значение для хранения и передачи информации. Если скирмионы могут летать, откроются безграничные возможности для следующего поколения революции в области информатики.

«Это первые известные примеры распространения скирмионов, — говорит профессор Николай Желудев, руководитель проекта, — фундаментальных топологических конструкций, которые ранее наблюдались в виде спиновых образований в твердых телах и локализованных электромагнитных возбуждений в ближнем поле структур метаматериалов».

Сверхтороидальный импульс является обобщением так называемого «летающего пончика», тороидального одноциклового импульса с пространственно-временной неразрывной структурой со связями с векторными сингулярностями и неизлучающими анапольными возбуждениями. Супертороидальный импульс имеет все более сложные фрактальные тороидальные топологические структуры, демонстрирующие конфигурации электромагнитного поля с сингулярными оболочками, напоминающими матрешки, скирмионные структуры с различными числами скирмионов и множественные сингулярности в векторном поле Пойнтинга, сопровождаемые многослойными эффектами обратного потока энергии. А топологической сложностью можно управлять, увеличивая сверхтороидальный порядок увеличения импульса.

Эти результаты выдвинули сверхтороидальные импульсы как площадку для изучения топологических конфигураций полей и их динамики. Представленные здесь топологические особенности супертороидальных импульсов обеспечивают дополнительные степени свободы, которые могут найти применение в ряде областей, таких как схемы кодирования / декодирования информации, включающие структурированный свет, оптический захват, производство с помощью света и ускорение частиц.

«Мы считаем, что это первый случай, когда скирмионная структура предлагается в сверхбыстрых структурированных импульсах, а множественная скирмионная структура с различными текстурами существует в мгновенном электромагнитном поле сверхтороидального импульса. Такие скирмионные структуры фотоники используют интригующие четкие пространственные особенности, обещая потенциальные применения в высокоточной метрологии и построении изображений со сверхвысоким разрешением », — говорит доктор Ицзе Шен, ведущий автор статьи.

Эта работа открывает множество интригующих возможностей для изучения взаимодействия света и вещества, сверхбыстрой оптики и топологической оптики со сверхтороидальными световыми импульсами (например, связь с электромагнитными анаполями и локализованными скирмионами) и их приложений в метрологии сверхвысокого разрешения и визуализации, передаче информации и энергии.