W skrócie
- Naukowcy z Singapuru wykorzystali odkryte 200 lat temu zjawisko plamki Poissona do generowania optycznych skyrmionów za pomocą lasera i małego dysku.
- Optyczne skyrmiony to stabilne wiry świetlne, które dzięki swojej odporności na odkształcenia mogą posłużyć do rozwoju technologii przechowywania danych i komunikacji.
- Nowa metoda pozwala na jednoczesne generowanie czterech typów struktur skyrmionowych, co ułatwia badaczom analizę ich właściwości i wzajemnych oddziaływań w polu światła.
- Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu, otwiera się w nowym oknie
Wiry świetlne jako obiecujący nośnik informacji
Naukowcy z Nanyang Technological University (NTU Singapore) odkryli zaskakująco prosty sposób na tworzenie egzotycznych struktur świetlnych, zwanych optycznymi skyrmionami. Do tego celu wykorzystali zjawisko optyczne odkryte ponad 200 lat temu, znane jako plamka Poissona. Zamiast polegać na drogich, wysoce zaawansowanych metamateriałach, inżynierowie po prostu skierowali laser na mały, okrągły dysk. W ten sposób uzyskali stabilne, wirujące wzory światła, które mogą w przyszłości pomóc w zasilaniu zaawansowanych technologii przechowywania danych, komunikacji i komputerów.
Czym właściwie są optyczne skyrmiony? To mikroskopijne, niezwykle stabilne wiry zakodowane bezpośrednio w strukturze fali świetlnej. Ich unikalna struktura jest często porównywana do igieł jeża. Ponieważ potrafią kodować i przechowywać informacje, naukowcy postrzegają je jako obiecujące elementy budulcowe dla przyszłych technologii obliczeniowych i komunikacyjnych.
Skyrmiony to także struktury topologiczne, co oznacza, że pozostają stabilne nawet wtedy, gdy są rozciągane lub zniekształcane. Światło posiada wiele cech, którymi można manipulować - takich jak intensywność, faza, polaryzacja, spin czy wektory pola elektrycznego i magnetycznego. Poprzez dostosowanie warunków kształtujących pole światła, naukowcy mogą precyzyjnie kontrolować rozmiar, kształt i zachowanie tych struktur.
Zobacz również:
Plamka Poissona. Powrót do eksperymentu sprzed 200 lat
Technologia opracowana w NTU opiera się na plamce Poissona (nazywanej również plamką Arago lub Fresnela), czyli znanym zjawisku optycznym, w którym jasny punkt pojawia się dokładnie w centrum cienia rzucanego przez okrągły obiekt oświetlony spójnym źródłem światła (np. laserem). Zjawisko to jest bezpośrednim rezultatem dyfrakcji (ugięcia) fal. Gdy spójna fala świetlna napotyka na swojej drodze okrągłą przeszkodę, jej krawędzie zaczynają działać jak nowe źródła fal wtórnych.
Fale te rozchodzą się i nakładają na siebie (interferują) za przeszkodą. Ponieważ odległość od każdego punktu na brzegu idealnie okrągłego dysku do samego środka jego cienia jest dokładnie taka sama, wszystkie docierające tam fale spotykają się w tej samej fazie. Dochodzi wówczas do tzw. interferencji konstruktywnej - fale wzmacniają się nawzajem, tworząc jasny punkt świetlny w miejscu, gdzie spodziewalibyśmy się wyłącznie mroku.
Odkrycie tego efektu odegrało fundamentalną rolę w historii nauki jako tzw. experimentum crucis (eksperyment rozstrzygający), który ostatecznie potwierdził falową naturę światła na początku XIX wieku. Blisko 100 lat później wykazano, iż światło tak naprawdę wykazuje dualizm korpuskularno-falowy, czyli zachowuje się jednocześnie jak fala i jak cząstka (foton).
"Niezwykłe jest to, że skyrmiony optyczne mogą być teraz generowane z użyciem prostego efektu, w którym światło ugina się wokół obiektu, bez polegania na drogich, skomplikowanych, zbudowanych przez człowieka metamateriałach albo wysoce specjalistycznych technikach. To może sprawić, że optyczne skyrmiony będą dużo bardziej dostępne dla badaczy" - skomentował główny autor badania, prof. Shen Yijie z NTU. "Metoda ta otwiera przed naukowcami nowe możliwości badania, jak mogą one zostać wykorzystane w przyszłych badaniach optycznych, materiałowych i obliczeniowych".
Cztery typy zawirowań świetlnych w jednym miejscu
W trakcie eksperymentu naukowcy odkryli, że konfiguracja z plamką Poissona naturalnie produkuje aż cztery powiązane topologiczne wzory pól jednocześnie: skyrmiony spinowe (odnoszące się do właściwości rotacyjnych światła), skyrmiony Stokesa (opisujące polaryzację, czyli kierunek wibracji fal), skyrmiony pola elektrycznego oraz skyrmiony pola magnetycznego.
Możliwość jednoczesnego generowania tych czterech typów pozwala na unikalne porównanie, jak różne skyrmiony formują się i oddziałują w tym samym polu światła. W abstrakcie badania autorzy wyjaśniają, że "dobrze znany efekt dyfrakcji optycznej - plamka Poissona - może gościć jednocześnie bogatą różnorodność topologii skyrmionowych, które są konstruowane przez wiele stopni swobody światła, wliczając w to spin optyczny, wektory polaryzacji Stokesa, a także pola elektryczne i magnetyczne".
Skyrmiony były pierwotnie badane w fizyce jądrowej oraz cząstek elementarnych, a później też w fizyce materii skondensowanej. Tymczasem zastosowanie ich w optyce stwarza ogromne szanse dla inżynierii. Wszak ostatnio swój renesans przeżywają omawiane przez nas wcześniej w GeekWeeku analogowe komputery kwantowe czy komputery optyczne, które wykazują przewagę nad procesorami krzemowymi pod względem szybkości działania i oszczędności energii. Badane są również metody komunikacji poprzez wykorzystanie światła lasera, a udany przekaz danych zakodowanych w wiązce lasera na odległość bagatela 350 mln km odnotowała w ubiegłym roku NASA.
Źródła:
- Jun Yao, Xi Xie, Yuan Meng, Sheng Sun, Jun Hu, Yijie Shen, Yuanjie Yang. Optical skyrmions in Poisson spots. Optica 13, 1184-1189 (2026). DOI: 10.1364/OPTICA.591840
- Nanyang Technological University. A 200-year-old physics experiment could help build future computers. Science Daily (2026).
