19 ژانویه 2023 – توسط SPIE-نور را می توان به ساختاری شبیه حلقه دود پیچ خورده تبدیل کرد. اعتبار: Y. Shen و Z. Zhu.
ما اغلب در زندگی روزمره خود می‌توانیم ساختار موجی موضعی پیدا کنیم که شکل خود را پس از انتشار حفظ می‌کند – حلقه دودی را در حال پرواز در هوا تصویر کنید. ساختارهای پایدار مشابهی در زمینه های تحقیقاتی مختلف مورد مطالعه قرار گرفته اند و می توان آنها را در آهنرباها، سیستم های هسته ای و فیزیک ذرات یافت. برخلاف یک حلقه دود، می توان آنها را در برابر اغتشاشات مقاوم کرد. این در ریاضیات و فیزیک به عنوان حفاظت توپولوژیکی شناخته می شود.
یک مثال معمولی، بافت طوفانی مانند یک میدان مغناطیسی در مقیاس نانو در لایه‌های نازک مغناطیسی است که مانند ذراتی رفتار می‌کند – یعنی شکلشان را تغییر نمی‌دهند – که اسکایریمیون نامیده می‌شوند. الگوهای مشابه دونات شکل (یا حلقوی) در فضای سه بعدی که توزیع های فضایی پیچیده ای از خواص مختلف یک موج را به تصویر می کشند، هاپفیون نامیده می شوند. دستیابی به چنین ساختارهایی با امواج نور بسیار دست نیافتنی است.
مطالعات اخیر در مورد نور ساختاریافته، تغییرات فضایی قوی از قطبش، فاز و دامنه را نشان می‌دهد که درک و فرصت‌هایی را برای طراحی ساختارهای نوری پایدار توپولوژیکی که مانند ذرات عمل می‌کنند را ممکن می‌سازد. چنین شبه ذرات نور با کنترل خواص توپولوژیکی متنوع ممکن است پتانسیل زیادی داشته باشند، به عنوان مثال به عنوان حامل های اطلاعات نسل بعدی برای انتقال اطلاعات نوری با ظرفیت فوق العاده بالا و همچنین در فناوری های کوانتومی.
همانطور که در Advanced Photonics گزارش شده است، فیزیکدانان همکاری از انگلستان و چین اخیراً تولید الگوهای قطبش را با ویژگی های توپولوژیکی پایدار طراحی شده در سه بعدی نشان داده اند که برای اولین بار می توان به طور قابل کنترل تبدیل و در فضای آزاد منتشر کرد.
ییجی شن از دانشگاه ساوتهمپتون در بریتانیا، نویسنده اصلی مقاله می گوید:
در نتیجه این بینش، چندین پیشرفت قابل توجه و دیدگاه های جدید ارائه می شود. ما یک خانواده جدید، بسیار غیرمعمول و ساختار یافته از سالیتون های توپولوژیکی سه بعدی را گزارش می کنیم، هاپفیون های فوتونیک، که در آن بافت های توپولوژیکی و اعداد توپولوژیکی را می توان آزادانه و مستقل تنظیم کرد و بسیار فراتر از بافت های توپولوژیکی ثابت توصیف شده قبلی با پایین ترین مرتبه است.
پروفسور آناتولی زایاتس در کینگز کالج لندن و سرپرست پروژه می گوید: “نتایج ما زیبایی بی حد سازه های نوری را نشان می دهد. امیدواریم که آنها الهام بخش تحقیقات بیشتر در زمینه کاربردهای بالقوه پیکربندی نور محافظت شده توپولوژیکی در ارتباطات نوری، فناوری های کوانتومی، برهمکنش های نور-ماده، میکروسکوپ فوق تفکیک پذیری، و مترولوژی باشند.”
این کار یک پس‌زمینه نظری را ارائه می‌کند که ظهور این خانواده از هاپفیون‌ها و نسل آزمایشی و خصوصیات آنها را توصیف می‌کند و ساختاری غنی از بافت‌های قطبش محافظت شده توپولوژیکی را نشان می‌دهد. برخلاف مشاهدات قبلی از هاپفیون‌ها که در مواد حالت جامد موضعی شده‌اند، این کار نشان می‌دهد که، به طور غیرمستقیم، یک هاپفیون نوری می‌تواند در فضای آزاد با حفاظت توپولوژیکی توزیع قطبی‌سازی منتشر شود.
ساختار توپولوژیکی قوی هاپفیون های فوتونیک نشان داده شده پس از انتشار اغلب در برنامه های کاربردی جستجو می شود.
این مدل جدید توسعه‌یافته از هاپفیون‌های توپولوژیکی نوری را می‌توان به راحتی به دیگر سازندهای توپولوژیکی مرتبه بالاتر در شاخه‌های دیگر فیزیک تعمیم داد.
