Kryształy zbudowane ze świetlnych węzłów rozwijają się w przestrzeni i czasie

Zaawansowane materiały

Zespół redakcyjny witryny poświęconej innowacjom technologicznym – 29 sierpnia 2025 r.

Zespół szczegółowo opisał cały przepis, od tworzenia pojedynczych hopfionów, przez ich organizację w dwuwymiarowe układy, aż po kryształy trójwymiarowe. [Grafika: Wenbo Lin i in. - 10.1103/hh5s-cprt]

Kryształ czasoprzestrzenny

Zespół naukowców z Singapuru i Japonii opracował metodę układania egzotycznych wzorów światła, podobnych do węzłów świetlnych , w celu tworzenia kryształów światła, czyli struktur podobnych do ciał stałych, ale o strukturze krystalicznej powtarzającej się nie tylko w przestrzeni, ale i w czasie.

Ta nowa wersja kryształu czasoprzestrzennego , hybryda zwykłych kryształów i kryształów czasoprzestrzennych , może zostać stworzona nie z atomów, ale za pomocą wiązek światła o dwóch różnych kolorach, przy czym światło ma strukturę umożliwiającą tworzenie tekstur nazywanych hopfionami .

Hopfiony to trójwymiarowe tekstury topologiczne, których wewnętrzne wzory „rotacji” przeplatają się w zamknięte, połączone pętle. Są to zasadniczo solitony zwinięte w sobie – nazwa hopfion jest skrótem od solitonu Hopfa – nawiązując do faktu, że soliton jest bardzo stabilną falą , która nie rozpada się łatwo, nie tracąc ani energii, ani kształtu.

Hopiony były teoretyzowane lub obserwowane w magnesach, polach świetlnych i kryształach , ale wcześniej wytwarzano je głównie jako obiekty izolowane.

Wenbo Lin i jego współpracownicy odkryli, jak je uporządkować i uporządkować w układy, które powtarzają się okresowo niczym atomy w krysztale, z tą różnicą, że w tym przypadku wzór powtarza się zarówno w czasie, jak i przestrzeni.

Koncepcja trójwymiarowego kryształu czasoprzestrzennego typu hopfion. [Grafika: Wenbo Lin i in. - 10.1103/hh5s-cprt]

Od izolowanych hopfionów do kryształów hopfionów

Kluczem do tworzenia tych kryształów czasoprzestrzennych jest bichromatyczne (dwukolorowe) pole światła, którego wektor elektryczny śledzi stan zmieniającej się polaryzacji w czasie.

Poprzez staranne nałożenie wiązek o różnych modach przestrzennych i przeciwnych polaryzacjach kołowych, zespół zdefiniował „pseudospin”, który ewoluuje w kontrolowanym tempie. Gdy dwa kolory są ustawione w prostym stosunku, pole pulsuje z ustalonym okresem, tworząc łańcuch hopionów, które powtarzają się w każdym cyklu.

Wychodząc od tego jednowymiarowego łańcucha, naukowcy opracowali sposób tworzenia wersji wyższego rzędu, których siłę topologiczną można regulować w górę lub w dół. Możliwe jest na przykład dostosowanie liczby całkowitej zliczającej, ile razy pętle wewnętrzne zawijają się wokół siebie, a nawet odwrócenie jej znaku poprzez zamianę dwóch kolorów światła. W symulacjach komputerowych przeprowadzonych przez zespół, uzyskane pola wykazują niemal idealną jakość topologiczną po całkowaniu w pełnym okresie.

Kolejnym krokiem jest przejście od tych dwuwymiarowych układów do w pełni rozwiniętych kryształów 3D, co zostanie osiągnięte za pomocą układu dalekiego pola, składającego się z zestawu maleńkich emiterów o odpowiednio skonfigurowanej fazie i polaryzacji, działających w dwóch blisko siebie położonych kolorach. Układ naturalnie dzieli się na podkomórki o przeciwstawnej topologii lokalnej, zachowując jednak czysty, naprzemienny wzór.

Zaawansowane zastosowania

To wszystko jest na razie tylko teorią, ale przepis opracowany przez zespół wkrótce doprowadzi do skonstruowania kryształów czasoprzestrzennych, zwłaszcza że mogą one mieć wiele istotnych zastosowań praktycznych.

Tekstury topologiczne — takie jak skyrmiony — dostarczyły już wielu pomysłów na gęste, charakteryzujące się niskim poziomem błędów przechowywanie danych i kierowanie sygnałami.

Rozszerzenie tego zestawu narzędzi na kryształy hopionowe i przeniesienie wszystkiego do dziedziny fotoniki , przy zachowaniu charakterystycznej dla światła szybkości i niskiego zużycia energii, obiecuje umożliwić wszystko, od schematów kodowania wielowymiarowego i komunikacji bardziej odpornej na zakłócenia, po nowe strategie pułapkowania atomów i oddziaływania światła z materią.

„Narodziny kryształów hopionów czasoprzestrzennych” – piszą autorzy – „otwierają drogę do solidnego, skondensowanego przetwarzania informacji topologicznej w zakresie optycznym, terahercowym i mikrofalowym”.

Inne wiadomości na temat:

Więcej tematów