Skyrmions: фундаментальные частицы, смоделированные в луче света

Этот прорыв предоставляет физикам реальную систему, демонстрирующую поведение скирмионов, впервые предложенную 60 лет назад математиком-физиком из Бирмингемского университета профессором Тони Скирмом.

Частица скирмиона смоделирована в свете. 

Идея Скирма использовала структуру сфер в 4-мерном пространстве, чтобы гарантировать неделимую природу скирмионной частицы в 3-х измерениях. Теоретически трехмерные скирмионы, похожие на частицы, рассказывают нам о раннем происхождении Вселенной или о физике экзотических материалов или холодных атомов. Однако, несмотря на то, что исследования ведутся более 50 лет, трехмерные скирмионы очень редко наблюдаются в экспериментах. Самые последние исследования скирмионов сосредоточены на 2D-аналогах, которые показывают многообещающие перспективы для новых технологий.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, Международное сотрудничество между исследователями из Университета Бирмингема, Ланкастера, Мюнстера (Германия) и RIKEN (Япония) впервые продемонстрировало, как скирмионы можно измерить в трех измерениях.

Профессор Марк Деннис, руководивший исследованием, сказал: «Скирмионы заинтриговали физиков и бросили им вызов на протяжении многих десятилетий. Хотя мы добиваемся хороших успехов в исследовании скирмионов в 2D, мы живем в трехмерном мире. Нам нужна система, которая может моделировать скирмион во всех его возможных состояниях таким образом, чтобы это можно было измерить. Мы поняли, что для этой цели можно использовать луч света, потому что мы можем точно контролировать его свойства и использовать его как платформу для моделирования наших скирмионов. При таком подходе мы сможем по-настоящему понять эти объекты и реализовать их научный потенциал ».

Чтобы создать свою модель, доктор Даника Сугич и профессор Деннис из Школы физики и астрономии Университета создали стандартное описание света, поляризации (направление, в котором распространяются световые волны) и фазы (положение световых волн ”). вибрация) в терминах сферы в 4-мерном пространстве, что имеет решающее значение для первоначального видения Скирма. Затем это позволило спроектировать поле Скирмиона и превратить его в луч лазерного света в эксперименте под руководством профессора Корнелии Денц из Мюнстерского университета. Команда использовала самые современные измерения, чтобы определить точную структуру скирмиона.

«Эти объекты на самом деле довольно сложны с геометрической точки зрения», – сказал доктор Сугич. «Они напоминают сложную систему взаимосвязанных колец, в целом образующих структуру, подобную частице. Что особенно интересно, так это топологические свойства скирмиона – они могут искажаться, растягиваться или сжиматься, но не распадаются. Эта надежность – одно из свойств, которые ученые больше всего заинтересованы в использовании ».