Photonic hopfions: Light shaped as a smoke ring that behaves like a particle
by SPIE
Hopfions photoniques : Lumière en forme d'anneau de fumée qui se comporte comme une particule
par SPIE
La lumière peut être façonnée en une structure ressemblant à un anneau de fumée torsadé. Crédit : Y. Shen et Z. Zhu.
Nous pouvons fréquemment trouver dans notre vie quotidienne une structure d'onde localisée qui conserve sa forme lors de la propagation - imaginez un anneau de fumée volant dans les airs. Des structures stables similaires ont été étudiées dans divers domaines de recherche et peuvent être trouvées dans les aimants, les systèmes nucléaires et la physique des particules. Contrairement à un anneau de fumée, ils peuvent être rendus résistants aux perturbations. Ceci est connu en mathématiques et en physique sous le nom de protection topologique.
Un exemple typique est la texture semblable à un ouragan à l'échelle nanométrique d'un champ magnétique dans des couches minces magnétiques, se comportant comme des particules - c'est-à-dire ne changeant pas de forme - appelées skyrmions. Des motifs similaires en forme de beignet (ou toroïdal) dans l'espace 3D, visualisant des distributions spatiales complexes de diverses propriétés d'une onde, sont appelés hopfions. Réaliser de telles structures avec des ondes lumineuses est très insaisissable.
Des études récentes sur la lumière structurée ont révélé de fortes variations spatiales de polarisation, de phase et d'amplitude, qui permettent de comprendre et ouvrent des opportunités de conception de structures optiques topologiquement stables se comportant comme des particules. De telles quasi-particules de lumière avec un contrôle de propriétés topologiques diversifiées peuvent avoir un grand potentiel, par exemple en tant que supports d'informations de nouvelle génération pour le transfert d'informations optiques à très grande capacité, ainsi que dans les technologies quantiques.
Comme indiqué dans Advanced Photonics, des physiciens collaborateurs du Royaume-Uni et de Chine ont récemment démontré la génération de modèles de polarisation avec des propriétés topologiquement stables conçues en trois dimensions, qui, pour la première fois, peuvent être transformées et propagées de manière contrôlée dans l'espace libre.
(a) La sphère de l'espace paramétrique qui représente le spin : les degrés de longitude et de latitude (α et β) d'une sphère paramétrique 2 sont représentés par la couleur de la teinte et sa luminosité (sombre vers le pôle sud, où le spin est bas, et lumineux vers le pôle nord, où le spin est en hausse). Chaque point d'une 2-sphère paramétrique correspond à une ligne iso-spin fermée située dans un espace euclidien 3D. (b) Les lignes projetées à partir des points sélectionnés de même latitude β et de longitude α différente sur l'hypersphère (mis en évidence par les points pleins avec les couleurs de teinte correspondantes), forment des nœuds de tore couvrant un tore (avec différents tores correspondant à différents β) . ( c ) La visualisation dans l'espace réel d'une fibration de Hopf sous la forme d'une cartographie stéréographique complète à partir d'une hypersphère: nœuds de tore disposés sur un ensemble de tores imbriqués coaxialement, chaque tore correspondant à une latitude différente β d'une 2 sphère paramétrique. Le cercle noir correspond au pôle sud (spin down) et l'axe des tores imbriqués correspond au pôle nord (spin up) en (a). ( d ) La distribution de spin 3D dans un hopfion, correspondant aux contours d'isospin en ( c ) avec chaque vecteur de spin coloré par ses paramètres α et β d'une sphère paramétrique en ( a ) comme indiqué dans l'insert. (e, f) La vue en coupe transversale de la distribution de spin en (d) : (e) xy (z = 0) et (f) yz (x = 0) les coupes transversales montrent des structures de type skyrmion avec les flèches grises marquant le tourbillon des skyrmions. L'échelle de couleurs est la même que celle correspondant à la direction de rotation en (d). Crédit : Shen et al., doi 10.1117/1.AP.5.1.015001
En conséquence de cette perspicacité, plusieurs avancées significatives et de nouvelles perspectives sont offertes. "Nous rapportons une nouvelle famille très inhabituelle de solitons topologiques 3D à lumière structurée, les hopfions photoniques, où les textures topologiques et les nombres topologiques peuvent être réglés librement et indépendamment, allant bien au-delà des textures topologiques fixes de l'ordre le plus bas décrites précédemment." dit Yijie Shen de l'Université de Southampton au Royaume-Uni, l'auteur principal de l'article.
"Nos résultats illustrent l'immense beauté des structures lumineuses. Nous espérons qu'ils inspireront de nouvelles investigations vers des applications potentielles de configurations de lumière topologiques protégées dans les communications optiques, les technologies quantiques, les interactions lumière-matière, la microscopie à superrésolution et la métrologie", déclare Anatoly Zayats, professeur au King's College de Londres et chef de projet.
Ce travail fournit un contexte théorique décrivant l'émergence de cette famille d'hopfions et leur génération et caractérisation expérimentales, révélant une structure riche de textures de polarisation topologiquement protégées. Contrairement aux observations précédentes d'hopfions localisés dans des matériaux à l'état solide, ce travail démontre que, de manière contre-intuitive, un hopfion optique peut se propager dans l'espace libre avec une protection topologique de la distribution de polarisation.
La structure topologique robuste des hopfions photoniques démontrés lors de la propagation est souvent recherchée dans les applications.
Ce modèle nouvellement développé d'hopfions topologiques optiques peut être facilement étendu à d'autres formations topologiques d'ordre supérieur dans d'autres branches de la physique. J
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COMMENTAIRES
Ie travail théorique dévoile des possibilités inteessantes mais il reste a savoir comment ces conformations peuvent etre expérimentalement matrisables
XXMore information: Yijie Shen et al, Topological transformation and free-space transport of photonic hopfions, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.1.015001
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