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 оптической передачи сверхбольшой емкости, а также в квантовых технологиях.
Как сообщается в журнале Advanced Photonics, группа физиков из Великобритании и Китая недавно продемонстрировали создание поляризационных паттернов с заданными топологически стабильными свойствами в трех измерениях, которые впервые можно контролируемо преобразовывать и распространять в свободном пространстве.
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.