Фундаментальные частицы, смоделированные в луче света

Ученым из Бирмингемского университета удалось создать экспериментальную модель неуловимой фундаментальной частицы, называемой скирмионом в луче света. Прорыв предоставляет физикам реальную систему, демонстрирующую поведение скирмионов, впервые предложенную 60 лет назад физиком-математиком из Бирмингемского университета профессором Тони Скирмом.

Идея Скирма использовала структуру сфер в 4-мерном пространстве, чтобы гарантировать неделимую природу частицы скирмиона в 3-х измерениях. Предполагается, что скирмионы, похожие на трехмерные частицы, рассказывают нам о раннем происхождении Вселенной или о физике экзотических материалов или холодных атомов. Однако, несмотря на то, что они исследуются более 50 лет, трехмерные скирмионы очень редко встречаются в экспериментах. Самые последние исследования скирмионов сосредоточены на 2D-аналогах, что открывает перспективы для новых технологий.

В новом исследовании международное сотрудничество ученых из Университета Бирмингема, Ланкастера, Мюнстера (Германия) и RIKEN (Япония) впервые продемонстрировало, как скирмионы можно измерять в трех измерениях. Профессор Марк Деннис, руководивший исследованием, сказал:«Скирмионы интриговали и бросали вызов физикам на протяжении многих десятилетий. Хотя мы делаем хорошие успехи в изучении скирмионов в 2D, мы живем в 3D-мире. Нам нужна система, которая может моделировать скирмион во всех его возможных состояниях таким образом, чтобы его можно было измерить. Мы поняли, что для этой цели можно использовать луч света, потому что мы можем точно контролировать его свойства и, таким образом, использовать его в качестве платформы для моделирования наших скирмионов. При таком подходе мы можем начать по-настоящему понимать эти объекты и реализовывать их научный потенциал».

Чтобы создать свою модель, доктор Даника Сугик и профессор Деннис из Университетской школы физики и астрономии использовали стандартное описание света, поляризацию (направление, в котором распространяются световые волны) и фазу (положение световых волн). с точки зрения сферы в 4-мерном пространстве, что имеет решающее значение для первоначального видения Скирма. Затем это позволило спроектировать поле Скирмиона и преобразовать его в луч лазерного света в эксперименте, проведенном профессором Корнелией Денц из Мюнстерского университета. Команда использовала самые современные измерения, чтобы определить точную структуру скирмиона.

«Эти объекты на самом деле довольно сложны с геометрической точки зрения», — сказал доктор Сугик. «Они напоминают сложную систему взаимосвязанных колец, в целом образующих структуру, подобную частице. Что особенно интересно, так это топологические свойства скирмиона — его можно исказить, растянуть или сжать, но он не разорвется. Эта надежность — одно из свойств, в использовании которых больше всего заинтересованы ученые».