به گزارش ایسنا، پژوهشگران دانشگاه فناوری نانیانگ سنگاپور (NTU Singapore) راهی بسیار ساده‌تر برای تولید ساختارهای نوری غیرمعمول موسوم به اسکایرمیون‌های نوری (Optical Skyrmions) یافته‌اند؛ ساختارهایی که با احیای یک آزمایش کلاسیک اپتیک متعلق به بیش از ۲۰۰ سال پیش ایجاد شده‌اند.

به نقل از فیز، اسکایرمیون‌های نوری الگوهای مارپیچی بسیار کوچک و پایداری هستند که در ویژگی‌های مختلف نور شکل می‌گیرند. ساختار آن‌ها اغلب به خارهای بدن جوجه‌تیغی تشبیه می‌شود. از آنجا که این ساختارها می‌توانند اطلاعات را رمزگذاری و ذخیره کنند، پژوهشگران آن‌ها را گزینه‌ای امیدوارکننده برای فناوری‌های آینده در حوزه ذخیره‌سازی داده، ارتباطات و رایانش می‌دانند.

در حالی که تولید اسکایرمیون‌های نوری تاکنون به فرامواد (Metamaterials) گران‌قیمت و پیچیده نیاز داشت، تیم تحقیقاتی نشان داد که تنها با تاباندن یک پرتو لیزر به یک صفحه دایره‌ای کوچک می‌توان این ساختارها را ایجاد کرد. این روش، تولید، مطالعه و کنترل این ساختارهای پیچیده را بسیار ساده‌تر می‌کند.

نکته شگفت‌انگیز این است که اکنون می‌توان اسکایرمیون‌های نوری را تنها با استفاده از یک پدیده ساده که در آن نور در اطراف یک جسم خم می‌شود، تولید کرد؛ بدون آنکه به فرامواد گران‌قیمت یا روش‌های بسیار تخصصی نیاز باشد.

این روش می‌تواند دسترسی پژوهشگران به اسکایرمیون‌های نوری را بسیار آسان‌تر کند. کاهش موانع فنی برای تولید و مطالعه این ساختارها، فرصت‌های تازه‌ای برای بررسی کاربردهای آن‌ها در اپتیک، علم مواد و رایانش آینده فراهم می‌کند.

پدیده‌ای کلاسیک با کاربردی تازه

این دستاورد بر پایه «نقطه پواسون» (Poisson Spot) شکل گرفته است؛ پدیده‌ای شناخته‌ شده در اپتیک که در آن، هنگامی که نور همدوس مانند لیزر به یک جسم دایره‌ای تابانده می‌شود، برخلاف انتظار، نقطه‌ای روشن در مرکز سایه آن ظاهر می‌شود.

نقطه پواسون در اوایل قرن نوزدهم نقش مهمی در حل یکی از بزرگ‌ترین اختلاف‌ نظرهای علمی درباره ماهیت نور داشت. در آن زمان دانشمندان بر سر این موضوع اختلاف داشتند که آیا نور تنها از ذراتی تشکیل شده که در مسیر مستقیم حرکت می‌کنند یا مانند موج رفتار می‌کند و می‌تواند خم شده و گسترش یابد.

نظریه موجی پیش‌بینی کرده بود که در مرکز سایه یک دیسک باید نقطه‌ای روشن دیده شود؛ جایی که انتظار می‌رفت کاملا تاریک باشد. مشاهده این نقطه، شواهد محکمی در تایید رفتار موجی نور و پدیده پراش (Diffraction) ارائه کرد؛ یعنی توانایی نور برای خم شدن و انتشار در اطراف موانع یا عبور از شکاف‌های کوچک.

تولید هم‌زمان چهار نوع اسکایرمیون نوری

پژوهشگران همچنین دریافتند که آرایش مبتنی بر نقطه پواسون، به طور طبیعی امکان تولید هم‌زمان چهار نوع الگوی توپولوژیکی را فراهم می‌کند.

تولید هم‌زمان این چهار نوع اسکایرمیون به پژوهشگران اجازه می‌دهد نحوه شکل‌گیری، تکامل و تعامل انواع مختلف آن‌ها را در یک میدان نوری واحد با یکدیگر مقایسه کنند.

شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای نیز این ساختارها را به صورت آرایه‌هایی مارپیچی از پیکان‌ها نشان داد که بیانگر تغییر جهت ویژگی‌های مختلف نور در سراسر نقطه پواسون هستند.

روشی ساده برای کنترل ساختارهای پیچیده نور

نور ویژگی‌های متعددی مانند شدت، فاز، قطبش، اسپین و همچنین بردارهای میدان الکتریکی و مغناطیسی دارد که پژوهشگران می‌توانند آن‌ها را کنترل کنند.

این ویژگی‌ها می‌توانند به ساختارهای توپولوژیکی تبدیل شوند؛ الگوهایی که حتی در صورت کشیده شدن یا تغییر شکل نیز پایدار باقی می‌مانند. دانشمندان معتقدند با تنظیم شرایط میدان نوری می‌توان اندازه، شکل و رفتار اسکایرمیون‌های نوری را با دقت کنترل کرد.

کاربردهای بالقوه در رایانش و فوتونیک

اسکایرمیون‌ها نخستین بار در فیزیک ذرات و فیزیک هسته‌ای مطرح شدند و بعدها به یکی از موضوعات مهم پژوهشی در فیزیک ماده چگال و مواد مغناطیسی تبدیل شدند. در سال‌های اخیر نیز دانشمندان بررسی اسکایرمیون‌های نوری را به عنوان ساختارهایی پایدار و شبه‌ذره‌ای در میدان‌های نوری آغاز کرده‌اند.

روش‌های پیشین برای تولید این ساختارها به فرامواد متکی بودند؛ موادی مهندسی‌شده با ساختارهای میکروسکوپی که می‌توانند نور را به شیوه‌هایی کنترل کنند که از مواد معمولی ساخته نیست.

اکنون، جایگزین کردن این سامانه‌های پیچیده با یک آرایش ساده اپتیکی می‌تواند پژوهش درباره اسکایرمیون‌های نوری را در دسترس پژوهشگران بیشتری قرار دهد. همچنین این یافته‌ها پایه‌ای برای مطالعات آینده در زمینه نور توپولوژیکی فراهم می‌کنند و می‌توانند به پیشرفت در حوزه‌های فوتونیک، مواد پیشرفته، پردازش اطلاعات و رایانه‌های نسل آینده کمک کنند.

انتهای پیام