Учёные представили теоретическую основу для создания летящих кристаллов хопфионов
Международная группа исследователей из Сингапура и Японии разработала теоретическую основу для создания кристаллов хопфионов — сложных узлоподобных структур света, которые повторяются как в пространстве, так и во времени. Это открытие, связывающее теорию узлов с фотоникой, открывает новые возможности для использования света в кодировании и обработке информации.
Исследование проводилось совместно учёными из Наньянского технологического университета, Токийского научного института, Университета Кэйо и Токийского университета. Хотя работа пока остаётся теоретической, она предлагает потенциал для создания световых структур со свойствами, аналогичными твёрдым материалам. Такой подход может вывести фотонику за пределы использования кратковременных световых лучей и открыть новые пути для будущих применений.
Хопфионы представляют собой трёхмерные топологические структуры, определяемые своей уникальной геометрией, а не материалом, из которого они состоят. Внутренне они состоят из паттернов «спина», образующих плотно скрученные, сцепленные петли. Название происходит от расслоения Хопфа — математической концепции, описывающей связывание и заузливание окружностей в пространствах высших размерностей. В отличие от большинства световых полей, которые склонны рассеиваться, хопфионы сохраняют свою связанную структуру и могут существовать значительно дольше.
Ранее эти сложные структуры наблюдались лишь в единичных случаях, например, в кратковременных магнитных или оптических экспериментах. Новое исследование предлагает собирать хопфионы в кристаллоподобные структуры, распространяющиеся в пространстве и времени. Создание таких кристаллов может привести к разработке фотонных устройств, менее подверженных помехам, что важно для построения защищённых систем связи и передовых систем обработки данных.
Для создания кристаллов исследователи предлагают использовать бихроматический свет, который образуется при объединении двух световых пучков с немного разными длинами волн и противоположными круговыми поляризациями. При их наложении возникает свойство, называемое псевдоспином, которое описывает совокупные характеристики световых пучков. Установив разность длин волн в простое соотношение, можно создать повторяющийся паттерн, в котором хопфионы с определёнными конфигурациями появляются и организуются в цепи.
Этот процесс аналогичен сплетению двух верёвок разного цвета: при синхронном скручивании возникает узор, а добавление большего количества прядей позволяет создавать более сложные узлы, с той лишь разницей, что в данном случае узоры создаются из света. Модели показали, что сложность узлов можно контролировать, регулируя целочисленный параметр, который определяет количество витков петель.
Для построения трёхмерных кристаллов команда предложила расположить малые излучатели, такие как микроволновые и дипольные антенны или дифракционные решётки-ответвители (grating couplers), с заданной фазой и поляризацией. При подаче на каждый излучатель бихроматического света установка генерирует повторяющиеся блоки с различными топологическими паттернами. Эти блоки объединяются в стабильную решётку, или кристаллоподобную структуру, повторяющуюся в пространстве и времени.
В отличие от предыдущих оптических хопфионов, которые зависели от тщательно сконструированных дифракционных картин, эти кристаллы формируются за счёт биений световых волн. Это позволяет им, теоретически, двигаться или «лететь» в пространстве, сохраняя свою структуру, пока естественная дифракция в конечном счёте не приведёт к их дисперсии.
Если пространственно-временные кристаллы хопфионов удастся создать на практике, они могут найти применение в оптической связи, квантовых вычислениях, нейроморфных вычислений и аэрокосмической отрасли. Их стабильность может помочь сделать передачу данных более безопасной, а вычислительные системы — более надёжными.
Авторы называют свою работу «рождением пространственно-временных кристаллов хопфионов», подчёркивая её значение как первого шага к созданию стабильных, повторяющихся топологических структур на оптических, терагерцовых и микроволновых частотах. Это открывает новые направления для исследований в топологической фотонике. Хотя результаты пока теоретические, авторы видят путь к практическому применению. Преодоление технических и инженерных препятствий для создания таких кристаллов может привести к значительному прогрессу в обработке данных и фотонных технологиях.