Výskumníci oprášili 200-ročný fyzikálny jav a objavili nové štruktúry svetla. Stačil im laser a malý terč
Vedci vytvorili optické skyrmióny pomocou 200 rokov známeho javu, lasera a malého disku. V budúcnosti môžu pomôcť pri ukladaní dát.
Vedci zo singapurskej Nanyang Technological University (NTU) prišli s prekvapivým objavom. Na vytvorenie zložitej štruktúry svetla využili optický jav, ktorý vedci poznajú už viac ako dve storočia. Namiesto drahých a komplikovaných materiálov im stačil laser a malý kruhový terč.
Výsledkom sa stali takzvané optické skyrmióny, teda mimoriadne stabilné štruktúry svetla. Hoci názov znie zložito, v budúcnosti by mohli zohrať dôležitú úlohu pri ukladaní dát, prenose informácií alebo dokonca pri vývoji novej generácie počítačov. Objav zaujal odborníkov aj preto, že výrazne zjednodušil spôsob, akým vedci tieto štruktúry vytvoria. Doteraz totiž potrebovali špeciálne materiály, ktorých výroba si vyžiadala veľa času aj financií.
Výskumníci využili viac ako dvestoročný experiment
Celý objav stojí na optickom jave známom ako Poissonova škvrna. Ide o jav, ktorý fyzici objavili už začiatkom 19. storočia počas veľkej vedeckej diskusie o povahe svetla. V tom období sa vedci snažili zistiť, či sa svetlo správa ako prúd drobných častíc alebo ako vlna. Práve Poissonova škvrna priniesla jeden z prvých presvedčivých dôkazov, že svetlo sa dokáže ohýbať a šíriť ako vlna.
Ak totiž nasmeruješ laser na malý kruhový objekt, v strede jeho tieňa sa objaví jasný svetelný bod. Znie to nelogicky, pretože práve tam by človek očakával úplnú tmu. Tento efekt vznikne vďaka ohybu svetelných vĺn okolo prekážky.
Práve tento jav teraz vedci využili úplne novým spôsobom. Namiesto komplikovaných optických zariadení nasmerovali laser na malý kruhový disk. Svetlo následne vytvorilo stabilné obrazce, ktoré odborníci označujú ako optické skyrmióny.
Neprehliadni
„Pozoruhodné je, že optické skyrmióny dnes vieme vytvoriť pomocou jednoduchého javu, pri ktorom sa svetlo ohýba okolo objektu, bez potreby drahých metamateriálov alebo vysoko špecializovaných techník,“ vysvetľuje vedúci výskumu, Shen Yijie.
Na prvý pohľad môže tento pojem pôsobiť odstrašujúco, no predstava je pomerne jednoduchá. Vedci ich prirovnávajú k pichliačom ježka. Vnútri svetelného poľa totiž vzniknú drobné vírivé štruktúry, v ktorých sa jednotlivé vlastnosti svetla usporiadajú do presného vzoru. Tieto vzory si zachovajú svoj tvar aj po rôznych deformáciách. Práve preto vedcov veľmi zaujali.
Takéto stabilné štruktúry môžu v budúcnosti slúžiť ako nositelia informácií. Podobne ako dnešné bity v pamäťových čipoch by raz mohli uchovávať údaje v oveľa menšom priestore. Výskumníci zároveň objavili ešte jednu zaujímavú vlastnosť.
V rámci jediného experimentu dokázali vytvoriť až štyri nové štruktúry
Poissonova škvrna nevytvorila iba jeden druh optických skyrmiónov. Vedci zaznamenali vznik až štyroch rôznych topologických štruktúr naraz. Každá z nich opisuje inú vlastnosť svetla. Niektoré súvisia s polarizáciou, ďalšie s elektrickým alebo magnetickým poľom a ďalšie so spinom svetla. Všetky pritom vznikli súčasne v rovnakom svetelnom bode.
Počítačové simulácie ukázali, že jednotlivé štruktúry pripomínajú víriace šípky. Tie znázorňujú smer, ktorým sa rôzne vlastnosti svetla v jednotlivých bodoch menia. Vedci tak získali možnosť sledovať viacero typov skyrmiónov naraz a porovnávať ich správanie v rovnakých podmienkach.
„Možnosť vytvoriť a porovnať viacero skyrmiónov v jednom systéme môže pomôcť odhaliť nové súvislosti medzi elektrickými, magnetickými a ďalšími fyzikálnymi vlastnosťami svetla,“ dodal Yijie.
Optické skyrmióny nepredstavujú úplnú novinku. Vedci ich skúmali už niekoľko rokov. Doterajšie experimenty sa však spoliehali na špeciálne metamateriály. Ide o umelo vytvorené štruktúry, ktoré ovplyvnia svetlo spôsobom, aký bežné materiály nedokážu zabezpečiť.
Ich výroba patrí medzi náročné procesy, preto sa výskumu venovalo iba obmedzené množstvo laboratórií. Nová metóda tento problém výrazne zmiernila. Ak na vytvorenie optických skyrmiónov postačí obyčajný laser a jednoduchý kruhový disk, oveľa viac vedeckých tímov získa možnosť podobné experimenty zopakovať alebo ďalej rozvíjať.
To môže urýchliť výskum v oblastiach, ktoré sa spoliehajú na presnú manipuláciu so svetlom. Vedci spomínajú napríklad fotoniku, nové materiály, spracovanie informácií či budúce výpočtové technológie.
Samotný objav zatiaľ neprinesie revolúciu do bežných počítačov ani smartfónov. Skôr otvorí ďalšie možnosti základného výskumu, ktorý môže časom nájsť využitie aj v praktických technológiách. Či sa tento jednoduchší spôsob tvorby optických skyrmiónov napokon presadí aj mimo laboratórií, ukážu až ďalšie experimenty.
