Cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura (NTU Cingapura), encontraram uma maneira simples de criar estruturas de luz incomuns, conhecidas como skyramions ópticos, revivendo um experimento óptico clássico de mais de 200 anos atrás.
Skyrmions ópticos são padrões rotativos minúsculos e estáveis formados nas propriedades da luz. Sua estrutura tem sido frequentemente comparada a espinhos de ouriços. Como podem potencialmente codificar e armazenar informações, os pesquisadores os veem como blocos de construção promissores para futuras tecnologias de armazenamento de dados, comunicação e computação.
Em vez de confiar nos metamateriais caros e altamente projetados tradicionalmente necessários para criar skyramions ópticos, a equipe da NTU os criou iluminando um pequeno disco circular com um laser. O método fornece uma maneira mais simples de produzir, estudar e controlar essas complexas estruturas de luz.
Os resultados, publicados na revista ópticoNanyang foi liderado pelo professor assistente Shen Yi da Escola de Ciências Físicas e Matemáticas e da Escola de Engenharia Elétrica e Eletrônica da NTU.
“O que é notável é que os skyrmions ópticos agora podem ser criados usando um efeito simples onde a luz se curva em torno de um objeto, sem depender de metamateriais complexos e caros feitos pelo homem ou de técnicas altamente especializadas”, explica o professor assistente Shen.
“Isso poderia tornar os skyramons ópticos muito mais acessíveis aos pesquisadores. Ao reduzir as barreiras técnicas para fabricá-los e estudá-los, o método abre novas possibilidades para os cientistas estudarem como eles podem ser usados em futuras pesquisas ópticas, de materiais e de computação.”
Um evento de luz clássico encontra um novo propósito
A descoberta é baseada no ponto de Poisson, um fenômeno óptico bem conhecido no qual um ponto brilhante aparece no centro da sombra projetada por um objeto circular quando é iluminado por uma fonte de luz coerente, como um laser.
A mancha de Poisson desempenhou um papel importante no debate sobre a natureza da luz no início do século XIX. Na época, os cientistas questionaram se a luz viajava apenas como partículas em linha reta ou se se comportava como ondas que podiam dobrar-se e espalhar-se.
A teoria das ondas previu que um ponto brilhante deveria aparecer no centro da sombra do disco, onde de outra forma seria esperada escuridão total. A observação dos pontos de Poisson fornece evidências convincentes de que a luz sofre difração, o que significa que ela se curva e se espalha à medida que passa ao redor de objetos ou através de pequenas aberturas.
Quatro tipos de skymen ópticos ao mesmo tempo
Os pesquisadores também descobriram que sua configuração de ponto de Poisson produz naturalmente quatro padrões de campo topológicos relacionados simultaneamente.
Estes incluem spin skyramion, Stokes skyramion, campo elétrico skyramion e campo magnético skyramion. Spin refere-se à propriedade semelhante à rotação da luz, enquanto os parâmetros de Stokes descrevem a polarização, ou a direção na qual as ondas de luz vibram à medida que viajam.
Construir esses quatro tipos juntos pode dar aos cientistas uma oportunidade única de comparar como diferentes skyrmions ópticos se formam, evoluem e interagem dentro do mesmo campo de luz.
Simulações de computador mostram as estruturas como conjuntos rotativos de setas que mostram como diferentes propriedades da luz mudam de direção através do ponto de Poisson.
Uma maneira simples de controlar iluminação complexa
A luz tem muitas propriedades que os pesquisadores podem manipular, incluindo intensidade, fase, polarização, spin e seus vetores de campo elétrico e magnético.
Esses recursos podem ser organizados em estruturas topológicas, que são padrões que permanecem estáveis mesmo quando esticados ou deformados. Ao ajustar as condições que moldam o campo de luz, os cientistas poderão controlar com precisão o tamanho, a forma e o comportamento dos skyrmions ópticos.
O professor assistente Shen disse:”No ponto de luz que criamos, diferentes tipos de vetores ópticos podem formar estruturas topológicas ao mesmo tempo. Esses diferentes componentes da luz estão intimamente conectados, mas não formam necessariamente padrões topológicos idênticos.
“Ser capaz de criar e comparar vários skyrameons dentro de um sistema pode ajudar os pesquisadores a descobrir novas ligações entre as propriedades elétricas, magnéticas e outras propriedades físicas da luz.”
Aplicações potenciais em computação e fotônica
Skyrmions foram propostos pela primeira vez em física de partículas e nuclear antes de se tornarem um importante campo de estudo em física de matéria condensada e materiais magnéticos. Mais recentemente, os cientistas começaram a investigar skyrmions ópticos estáveis, semelhantes a partículas, como estruturas que existem dentro de campos de luz.
Os métodos anteriores de criação de skyrmions ópticos dependiam de metamateriais, que são estruturas microscópicas projetadas artificialmente e projetadas para manipular a luz de uma forma que os materiais convencionais não conseguem.
Ao substituir esses sistemas complexos por configurações ópticas mais simples, o trabalho da equipe NTU poderia tornar a pesquisa do skyrmion óptico mais acessível. Os resultados fornecem uma base para estudos futuros de luz topológica e podem contribuir para avanços em fotônica, materiais avançados, processamento de informações e computação de próxima geração.
