Científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur (NTU Singapur) han encontrado una forma sencilla de crear estructuras de luz inusuales conocidas como skyramions ópticos reviviendo un experimento óptico clásico de hace más de 200 años.
Los skyrmions ópticos son patrones giratorios pequeños y estables formados en propiedades luminosas. Su estructura se ha comparado a menudo con las espinas de un erizo. Debido a que potencialmente pueden codificar y almacenar información, los investigadores los ven como componentes básicos prometedores para futuras tecnologías informáticas, de comunicación y de almacenamiento de datos.
En lugar de depender de los costosos metamateriales de alta ingeniería que tradicionalmente se necesitan para crear skyramions ópticos, el equipo de NTU los creó haciendo brillar un láser sobre un pequeño disco circular. El método proporciona una forma más sencilla de producir, estudiar y controlar estas complejas estructuras luminosas.
Los resultados, publicados en la revista ópticoNanyang fue dirigido por el profesor asistente Shen Yi de la Escuela de Ciencias Físicas y Matemáticas y la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la NTU.
“Lo que es notable es que ahora se pueden crear skyrmions ópticos utilizando un efecto simple en el que la luz se curva alrededor de un objeto, sin depender de metamateriales costosos y complejos hechos por el hombre ni de técnicas altamente especializadas”, explica el profesor asistente Shen.
“Esto podría hacer que los skyramons ópticos sean mucho más accesibles para los investigadores. Al reducir las barreras técnicas para fabricarlos y estudiarlos, el método abre nuevas posibilidades para que los científicos estudien cómo pueden usarse en futuras investigaciones ópticas, de materiales e informática”.
Un evento de iluminación clásico encuentra un nuevo propósito
El avance se basa en el punto de Poisson, un conocido fenómeno óptico en el que aparece un punto brillante en el centro de la sombra proyectada por un objeto circular cuando es iluminado por una fuente de luz coherente como un láser.
La mancha de Poisson jugó un papel importante en el debate sobre la naturaleza de la luz a principios del siglo XIX. En ese momento, los científicos se preguntaron si la luz solo viajaba como partículas en línea recta o se comportaba como ondas que podían doblarse y extenderse.
La teoría ondulatoria predijo que debería aparecer un punto brillante en el centro de la sombra del disco, donde de otro modo se esperaría una oscuridad total. La observación de los puntos de Poisson proporciona evidencia convincente de que la luz sufre difracción, lo que significa que se dobla y se propaga al pasar alrededor de objetos o a través de pequeñas aberturas.
Cuatro tipos de skymen ópticos a la vez
Los investigadores también descubrieron que su configuración de punto de Poisson produce naturalmente cuatro patrones de campo topológicos relacionados simultáneamente.
Estos incluyen skyramion de espín, skyramion de Stokes, skyramion de campo eléctrico y skyramion de campo magnético. El giro se refiere a la propiedad de rotación de la luz, mientras que los parámetros de Stokes describen la polarización, o la dirección en la que las ondas de luz vibran a medida que viajan.
Construir estos cuatro tipos juntos puede brindar a los científicos una oportunidad única de comparar cómo se forman, evolucionan e interactúan diferentes skyrmions ópticos dentro del mismo campo de luz.
Las simulaciones por computadora muestran las estructuras como conjuntos de flechas giratorias que representan cómo las diferentes propiedades de la luz cambian de dirección a través del punto de Poisson.
Una forma sencilla de controlar la iluminación compleja
La luz tiene muchas propiedades que los investigadores pueden manipular, incluida su intensidad, fase, polarización, espín y sus vectores de campo eléctrico y magnético.
Estas características se pueden organizar en estructuras topológicas, que son patrones que permanecen estables incluso cuando se estiran o deforman. Al ajustar las condiciones que dan forma al campo de luz, los científicos pueden controlar con precisión el tamaño, la forma y el comportamiento de los skyrmions ópticos.
El profesor asistente Shen dijo: “En el punto de luz que creamos, diferentes tipos de vectores ópticos pueden formar estructuras topológicas al mismo tiempo. Estos diferentes componentes de la luz están estrechamente conectados, pero no necesariamente forman patrones topológicos idénticos.
“Ser capaz de crear y comparar varios skyrameons dentro de un sistema puede ayudar a los investigadores a descubrir nuevos vínculos entre las propiedades eléctricas, magnéticas y otras propiedades físicas de la luz”.
Posibles aplicaciones en informática y fotónica.
Los Skyrmions se propusieron por primera vez en la física nuclear y de partículas antes de convertirse más tarde en un importante campo de estudio en la física de la materia condensada y los materiales magnéticos. Más recientemente, los científicos han comenzado a investigar skyrmions ópticos estables, similares a partículas, como estructuras que existen dentro de campos de luz.
Los métodos anteriores para crear skyrmions ópticos se basaban en metamateriales, que son estructuras microscópicas diseñadas artificialmente diseñadas para manipular la luz de maneras que los materiales convencionales no pueden.
Al reemplazar estos sistemas complejos con configuraciones ópticas más simples, el trabajo del equipo de NTU podría hacer que la investigación del skyrmion óptico sea más accesible. Los resultados proporcionan una base para futuros estudios de la luz topológica y pueden contribuir a avances en fotónica, materiales avanzados, procesamiento de información e informática de próxima generación.
