Licht in Form eines Rauchrings, der sich wie ein Partikel verhält

Wir können in unserem täglichen Leben häufig eine lokalisierte Wellenstruktur finden, die ihre Form bei der Ausbreitung beibehält – stellen Sie sich einen Rauchring vor, der in der Luft fliegt. Ähnliche stabile Strukturen wurden in verschiedenen Forschungsgebieten untersucht und sind in Magneten, Nuklearsystemen und Teilchenphysik zu finden. Im Gegensatz zu einem Rauchring können sie widerstandsfähig gegen Störungen gemacht werden. Dies ist in der Mathematik und Physik als topologischer Schutz bekannt.

Ein typisches Beispiel ist die hurrikanartige Struktur eines Magnetfelds im Nanomaßstab in magnetischen Dünnfilmen, die sich wie Partikel verhalten – d. h. ihre Form nicht ändern – sogenannte Skyrmionen. Ähnliche ringförmige (oder ringförmige) Muster im 3D-Raum, die komplexe räumliche Verteilungen verschiedener Eigenschaften einer Welle visualisieren, werden Hopfionen genannt. Solche Strukturen mit Lichtwellen zu erreichen, ist sehr schwer fassbar.

Jüngste Studien zu strukturiertem Licht offenbarten starke räumliche Variationen von Polarisation, Phase und Amplitude, die das Verständnis von topologisch stabilen optischen Strukturen, die sich wie Partikel verhalten, ermöglichen und Möglichkeiten für deren Entwurf eröffnen. Solche Quasi-Lichtteilchen mit der Kontrolle diversifizierter topologischer Eigenschaften könnten ein großes Potenzial haben, beispielsweise als Informationsträger der nächsten Generation für die optische Informationsübertragung mit ultragroßer Kapazität sowie in Quantentechnologien.

Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonikdemonstrierten kooperierende Physiker aus Großbritannien und China kürzlich die Erzeugung von Polarisationsmustern mit entworfenen topologisch stabilen Eigenschaften in drei Dimensionen, die zum ersten Mal kontrollierbar transformiert und im freien Raum ausgebreitet werden können.

Als Folge dieser Einsicht bieten sich mehrere bedeutende Fortschritte und neue Perspektiven. „Wir berichten über eine neue, sehr ungewöhnliche, strukturierte Lichtfamilie von 3D-topologischen Solitonen, den photonischen Hopfionen, bei denen die topologischen Texturen und topologischen Zahlen frei und unabhängig abgestimmt werden können und weit über die zuvor beschriebenen festen topologischen Texturen der niedrigsten Ordnung hinausgehen.“ sagt Yijie Shen von der University of Southampton im Vereinigten Königreich, der Hauptautor der Abhandlung.

„Unsere Ergebnisse veranschaulichen die immense Schönheit von Lichtstrukturen. Wir hoffen, dass sie weitere Untersuchungen zu möglichen Anwendungen von topologischen geschützten Lichtkonfigurationen in der optischen Kommunikation, Quantentechnologien, Licht-Materie-Wechselwirkungen, hochauflösenden Mikroskopie und Metrologie anregen werden“, sagt Anatoly Zayats, Professor am King’s College London und Projektleiter.

Diese Arbeit liefert einen theoretischen Hintergrund, der die Entstehung dieser Familie von Hopfionen und ihre experimentelle Erzeugung und Charakterisierung beschreibt und eine reiche Struktur von topologisch geschützten Polarisationstexturen offenbart. Im Gegensatz zu früheren Beobachtungen von in Festkörpermaterialien lokalisierten Hopfionen zeigt diese Arbeit, dass sich ein optisches Hopfion entgegen der Intuition im freien Raum mit topologischem Schutz der Polarisationsverteilung ausbreiten kann.

Die robuste topologische Struktur der demonstrierten photonischen Hopfionen bei Ausbreitung wird häufig in Anwendungen gesucht.

Dieses neu entwickelte Modell optischer topologischer Hopfionen kann leicht auf andere topologische Formationen höherer Ordnung in anderen Bereichen der Physik erweitert werden. Die Hopfionen höherer Ordnung sind immer noch eine große Herausforderung in anderen physikalischen Gemeinschaften, von der Hochenergiephysik bis zu magnetischen Materialien. Der in dieser Arbeit vorgeschlagene optische Ansatz kann ein tieferes Verständnis dieses komplexen Bereichs von Strukturen in anderen Zweigen der Physik ermöglichen.