Cientistas da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Singapura (NTU Singapura), descobriram uma maneira muito mais simples de produzir estruturas de luz incomuns conhecidas como skyrmions ópticos, recriando um experimento óptico clássico que remonta a mais de 200 anos.
Skyrmions ópticos são padrões rodopiantes minúsculos e estáveis que se formam nas propriedades da luz. Sua estrutura é frequentemente comparada aos espinhos de um ouriço. Como podem potencialmente codificar e armazenar informações, os pesquisadores os veem como blocos de construção promissores para futuras tecnologias de armazenamento, comunicação e computação.
Em vez de confiar nos metamateriais caros e de alta tecnologia que tradicionalmente são necessários para criar skyrmions ópticos, a equipe da NTU os criou iluminando um pequeno disco circular com um laser. Esta abordagem fornece uma maneira muito mais simples de produzir, estudar e controlar essas estruturas leves e complexas.
Descobertas publicadas em revista ÓPTICOliderado pelo professor associado de Nanyang, Shen Yizhi, 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 podem agora ser criados pelo simples efeito da curvatura da luz em torno de um objeto, sem o uso de metamateriais artificiais complexos e caros ou técnicas altamente especializadas”, explicou o professor associado Shen.
“Isso poderia tornar os skyrmions ópticos muito mais acessíveis aos pesquisadores. Ao reduzir a barreira técnica para fabricá-los e estudá-los, o método abre novas oportunidades para os cientistas explorarem como eles podem ser usados em futuras pesquisas ópticas, de materiais e computacionais.”
O clássico fenômeno da luz encontra um novo propósito
A descoberta é baseada no speckle de Poisson, um fenômeno óptico bem conhecido no qual um ponto brilhante aparece no centro da sombra projetada por um objeto redondo 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 se perguntavam se a luz viajava apenas como partículas em linha reta ou se se comportava como ondas que podiam dobrar-se e propagar-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 da partícula de Poisson forneceu 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 skyrmions ópticos ao mesmo tempo
Os pesquisadores também descobriram que a configuração do patch Poisson gerava naturalmente até quatro campos topológicos acoplados simultaneamente.
Estes incluíam skyrmions de spin, skyrmions de Stokes, skyrmions de campo elétrico e skyrmions de campo magnético. Spin refere-se às propriedades semelhantes a spin da luz, enquanto os parâmetros de Stokes descrevem a polarização ou direção na qual as ondas de luz vibram à medida que viajam.
A criação desses quatro tipos poderia dar aos cientistas uma oportunidade única de comparar como diferentes skyrmions ópticos se formam, evoluem e interagem no mesmo campo de luz.
Simulações de computador mostraram as estruturas como conjuntos de setas rodopiantes, ilustrando como diferentes propriedades da luz mudam de direção através de uma mancha de Poisson.
Uma maneira mais simples de controlar luz complexa
A luz tem muitas características que os pesquisadores podem manipular, incluindo intensidade, fase, polarização, spin e vetores de campo elétrico e magnético.
Essas propriedades podem ser organizadas em estruturas topológicas, que são padrões que permanecem estáveis mesmo quando esticados ou distorcidos. Ao ajustar as condições que moldam o campo de luz, os cientistas serão capazes de controlar com precisão o tamanho, a forma e o comportamento dos skyrmions ópticos.
O professor associado Shen disse:”No ponto de luz que criamos, vários tipos de vetores ópticos podem formar estruturas topológicas ao mesmo tempo. Esses diferentes componentes de luz estão intimamente relacionados, mas não formam necessariamente padrões topológicos idênticos.
“Ser capaz de produzir e comparar vários skyrmions em um único sistema pode ajudar os pesquisadores a descobrir novas conexões 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 mais tarde se tornarem uma importante área de pesquisa em física de matéria condensada e materiais magnéticos. Mais recentemente, os cientistas começaram a investigar skyrmions ópticos como estruturas semelhantes a partículas estáveis que existem em campos de luz.
Os métodos anteriores de produção de skyrmions ópticos dependiam de metamateriais, que são estruturas microscópicas criadas artificialmente e projetadas para manipular a luz de uma forma que os materiais convencionais não conseguem.
Ao substituir esses sistemas complexos por configurações ópticas muito mais simples, o trabalho da equipe NTU poderia tornar a pesquisa do skyrmion óptico mais acessível. As descobertas também estabelecem as bases para futuras pesquisas topológicas de luz e podem contribuir para avanços em fotônica, materiais avançados, processamento de informações e computação de próxima geração.
