Физики впервые пронаблюдали трехмерный оптический скирмион в луче света

Физики впервые наблюдали трехмерный скирмион в пучке света, представляющем собой суперпозицию лево- и правополяризованных электромагнитных волн со специально подобранными амплитудами и фазами. Ученые надеются, что исследование оптических скирмионов может помочь лучше понять динамику аналогичных квазичастиц в хромодинамике, космологии ранней Вселенной и физике конденсированного состояния вещества. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Скирмион — это топологически нетривиальная полевая конфигурация, являющаяся решением уравнений движения некоторой теории поля. Эта конфигурация представляет собой отображение физического пространства X в другое пространство Y, форма и размерность которого зависят от физической системы, описываемой теорией поля. Такое отображение характеризуется целым числом, называемым в математике степенью отображения. С точки зрения физики скирмионов это число является зарядом, сохраняющимся при взаимодействии скирмионов друг с другом и с другими частицами.

Скирмионы существуют в разных теориях поля, описывающих различные физические явления. Например, трехмерные скирмионы в низкоэнергетической хромодинамике используются для описания барионов, а их двумерные аналоги часто встречаются в физике конденсированного состояния вещества (1, 2, 3). Также ученые рассматривают образование скирмионов в ранней Вселенной как возможное объяснение аномалий в неоднородности космического микроволнового фона.

Группа физиков из Великобритании, Германии, США и Японии под руководством Марка Дэнниса (Mark Dennis) из Бирмингемского университета и Бристольского университета впервые наблюдала оптический трехмерный скирмион в луче света. Для этого физики сгенерировали суперпозицию лево- и правополяризованных пучков электромагнитных волн, движущихся в одном направлении. Волна с циркулярной поляризацией характеризуется двумя параметрами, в качестве которых можно взять нормированные вещественную и мнимую части амплитуды. Эти пары параметров для каждого из двух пучков света были подобраны так, что во всем объеме, где создавался скирмион, сохранялась сумма квадратов всех четырех величин. Равенство суммы четырех квадратов и константы представляет собой уравнение, задающее трехмерную сферу в четырехмерном пространстве. То есть конфигурация электромагнитного поля представляла собой скирмион с пространством X, являющимся областью, в которой существовала суперпозиция электромагнитных волн, а пространство Y — это трехмерная сфера.

Топологический заряд скирмиона выражается через параметры пучка, которые экспериментаторы измерили с помощью метода объемной реконструкции поля. Полученная таким образом величина этого заряда оказалась равна 0,945, что в рамках экспериментальной погрешности совпадает с теоретически предсказанным значением, равным 1.

Физики рассчитывают, что изучение трехмерных оптических скирмионов поможет лучше понять свойства аналогичных квазичастиц, возникающих в других областях физики, а также может иметь прикладное значение в нанофотонике.

Ранее мы писали о том, как физики впервые получили трехмерные спиновые скирмионы в конденсате Бозе — Эйнштейна.

Андрей Фельдман