Ученые обнаружили удивительно простой метод создания уникальных световых структур — так называемых оптических скирмионов. Для этого они возобновили классический эксперимент в области оптики, которому уже более двухсот лет.
Оптический скирмион — это миниатюрная стабильная вихревая структура, формирующаяся в поле света. Его конструкция часто сравнивается с иголками на спине ежа: в каждой точке направление вектора (например, электрического поля или поляризации) изменяется, однако вся структура в целом сохраняется как единое целое. Благодаря своей устойчивости подобные объекты представляют интерес в качестве потенциальных «ячейок» для оптических вычислений и передачи данных.
Вместо применения дорогостоящих и сложных метаматериалов, которые традиционно использовались для создания оптических скирмионов, специалисты Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU) продемонстрировали, что оптические скирмионы можно генерировать, используя известное ученым явление — пятно Пуассона. Если круглый диск осветить когерентным источником, например, лазером, в центре его тени появляется яркая точка, хотя там должна быть полная темнота. Это следствие дифракции — способности света огибать препятствия и «размываться», что было обнаружено в ходе оптического эксперимента более 200 лет назад.
Именно вокруг данного пятна исследователи нашли сложные топологические структуры в световом поле, которые оказались оптическими скирмионами. Более того, в одной и той же конфигурации им удалось одновременно наблюдать до четырех родственных типов таких образований: спиновые скирмионы, скирмионы Стокса, а также скирмионы электрического и магнитного полей. Спин относится к «вращательным» свойствам света, а параметры Стокса описывают поляризацию — направление колебаний световой волны.
Компьютерное моделирование показало эти структуры в виде «карт» из стрелок, иллюстрирующих, как меняется направление различных свойств света в области пятна Пуассона. При этом разные компоненты — спин, поляризация, электрическое и магнитное поля — тесно связаны между собой, но не обязательно формируют идентичные узоры.