Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi'nden (NTU Singapur) bilim insanları, 200 yıldan daha eski bir klasik optik deneyini canlandırarak optik skyrmion olarak bilinen sıra dışı ışık yapılarını üretmenin çok daha basit bir yolunu buldu.
Optik skyrmionlar, ışığın özellikleri içinde oluşan küçük, kararlı girdap desenleridir. Yapıları genellikle bir kirpinin dikenlerine benzetilir. Bilgi kodlayıp depolayabildikleri için araştırmacılar, bunları gelecekteki veri depolama, iletişim ve bilgi işlem teknolojileri için umut verici yapı taşları olarak görüyor.
NTU ekibi, geleneksel olarak optik skyrmion üretmek için gereken pahalı, özel tasarlanmış metamalzemelere başvurmak yerine, küçük dairesel bir diske lazer tutarak bu yapıları oluşturdu. Bu yaklaşım, karmaşık ışık yapılarını üretmenin, incelemenin ve kontrol etmenin çok daha basit bir yolunu sunuyor.
Bulgular Optica dergisinde yayımlandı. Çalışmaya NTU Fizik ve Matematik Bilimleri Fakültesi ile Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Fakültesi'nden Yardımcı Doçent Shen Yijie liderlik etti.
Yardımcı Doçent Shen, "Dikkat çekici olan şey, optik skyrmionların artık bir nesnenin etrafında bükülen ışık gibi basit bir etki kullanılarak, pahalı, karmaşık insan yapımı metamalzemelere veya son derece özel tekniklere ihtiyaç duymadan üretilebilmesidir" dedi.
Shen sözlerini şöyle sürdürdü: "Bu, optik skyrmionları araştırmacılar için çok daha erişilebilir hale getirebilir. Teknik engeli düşürerek, bilim insanlarının bunların gelecekteki optik, malzeme ve bilgi işlem araştırmalarında nasıl kullanılabileceğini incelemeleri için yeni olanaklar açıyor."
Klasik Bir Işık Olayı Yeni Bir Amaç Buluyor
Bu atılım, Poisson noktası adı verilen iyi bilinen bir optik olguya dayanıyor. Bu olguda, lazer gibi uyumlu bir ışık kaynağıyla aydınlatılan dairesel bir cismin gölgesinin tam ortasında parlak bir nokta beliriyor.
Poisson noktası, 19. yüzyılın başlarında ışığın doğası hakkındaki tartışmada önemli bir rol oynamıştı. O zamanlar bilim insanları, ışığın yalnızca düz çizgiler halinde hareket eden parçacıklar mı olduğunu, yoksa bükülüp yayılabilen dalgalar mı olduğunu sorguluyordu.
Dalga teorisi, diskin gölgesinin tam ortasında, aksi takdirde tamamen karanlık olması beklenen yerde parlak bir nokta görülmesi gerektiğini öngörüyordu. Poisson noktasının gözlemlenmesi, ışığın kırınıma uğradığına, yani nesnelerin etrafından veya küçük açıklıklardan geçerken bükülüp yayıldığına dair ikna edici kanıt sağladı.
Aynı Anda Dört Tür Optik Skyrmion
Araştırmacılar ayrıca Poisson noktası düzeneklerinin doğal olarak aynı anda dört adede kadar ilişkili topolojik alan deseni ürettiğini keşfetti.
Bunlar arasında spin skyrmionları, Stokes skyrmionları, elektrik alan skyrmionları ve manyetik alan skyrmionları yer alıyor. Spin, ışığın dönme benzeri özelliklerini ifade ederken, Stokes parametreleri polarizasyonu, yani ışık dalgalarının hareket ederken titreştiği yönü tanımlıyor.
Bu dört türü bir arada üretmek, bilim insanlarına farklı optik skyrmionların aynı ışık alanı içinde nasıl oluştuğunu, geliştiğini ve etkileşime girdiğini karşılaştırma fırsatı verebilir.
Bilgisayar simülasyonları, yapıları, ışığın farklı özelliklerinin Poisson noktası boyunca nasıl yön değiştirdiğini gösteren girdaplı ok dizileri olarak ortaya koydu.
Karmaşık Işığı Kontrol Etmenin Daha Basit Bir Yolu
Işık, araştırmacıların manipüle edebileceği yoğunluk, faz, polarizasyon, spin ile elektrik ve manyetik alan vektörleri dahil olmak üzere birçok özelliğe sahiptir.
Bu özellikler, gerildiğinde veya bozulduğunda bile kararlı kalan desenler olan topolojik yapılar halinde düzenlenebilir. Bilim insanları, ışık alanını şekillendiren koşulları ayarlayarak optik skyrmionların boyutunu, şeklini ve davranışını hassas bir şekilde kontrol edebilir.
Yardımcı Doçent Shen şunları söyledi: "Oluşturduğumuz ışık noktasında, aynı anda birkaç tür optik vektör topolojik yapılar oluşturabiliyor. Işığın bu farklı bileşenleri birbiriyle yakından ilişkilidir, ancak mutlaka aynı topolojik desenleri oluşturmazlar."
"Tek bir sistem içinde birkaç skyrmion üretip karşılaştırabilmek, araştırmacıların ışığın elektrik, manyetik ve diğer fiziksel özellikleri arasındaki yeni bağlantıları keşfetmesine yardımcı olabilir."
Bilgi İşlem ve Fotonikte Potansiyel Uygulamalar
Skyrmionlar ilk olarak parçacık ve nükleer fizikte önerilmiş, daha sonra yoğun madde fiziği ve manyetik malzemelerde önemli bir çalışma alanı haline gelmiştir. Son zamanlarda bilim insanları, optik skyrmionları ışık alanları içinde var olan kararlı, parçacık benzeri yapılar olarak araştırmaya başladı.
Optik skyrmion üretmeye yönelik önceki yöntemler, ışığı geleneksel malzemelerin yapamayacağı şekillerde manipüle etmek için tasarlanmış yapay olarak üretilmiş mikroskobik yapılar olan metamalzemelere dayanıyordu.
NTU ekibinin çalışması, bu karmaşık sistemleri çok daha basit bir optik düzenekle değiştirerek optik skyrmion araştırmalarını daha erişilebilir hale getirebilir. Bulgular ayrıca topolojik ışık üzerine gelecekteki çalışmalar için bir temel sağlıyor ve fotonik, gelişmiş malzemeler, bilgi işleme ve yeni nesil bilgi işlem alanındaki ilerlemelere katkıda bulunabilir.
