Появление пространственно-временных кристаллов хопфионов открывает путь к сжатой, надёжной топологической обработке информации в оптическом, терагерцовом и микроволновом диапазонах
Исследователи из Сингапура и Японии представили схему создания экзотических, похожих на узлы световых структур в виде повторяющихся кристаллов, которые распространяются как в пространстве, так и во времени. В работе описывается, как создавать и контролировать «хопфионные» решетки с помощью структурированных лучей двух разных цветов, что указывает на будущие системы для плотной и надежной обработки информации в фотонике.
Хопфионы — это трёхмерные топологические структуры, внутренние «спиновые» паттерны которых сплетаются в замкнутые взаимосвязанные петли. Они наблюдались или предполагались в магнитах и световых полях, но ранее их создавали в основном как изолированные объекты. Исследователи собрали их в упорядоченные массивы, которые периодически повторяются, подобно атомам в кристалле, только здесь паттерн повторяется как во времени, так и в пространстве.
Ключом к разгадке является двухцветное, или бихроматическое, световое поле, электрический вектор которого со временем меняет своё поляризационное состояние. Тщательно накладывая друг на друга лучи с разными пространственными модами и противоположными круговыми поляризациями, команда создаёт «псевдоспин», который развивается в контролируемом ритме. Когда два цвета соотносятся простым образом, поле пульсирует с фиксированным периодом, создавая цепочку хопфионов, которая повторяется в каждом цикле.
Начиная с этой одномерной цепочки, исследователи описывают, как создавать версии более высокого порядка, топологическую силу которых можно увеличивать или уменьшать. В их схеме можно настроить целое число, которое показывает, сколько раз внутренние петли закручиваются, и даже поменять его знак, поменяв местами две длины волны. В ходе моделирования полученные поля демонстрируют почти идеальное топологическое качество при интегрировании за полный период.
Помимо повторения только во времени, в статье описывается путь к созданию настоящих трёхмерных кристаллов Хопфиона: решётки в дальней зоне, образованной множеством крошечных излучателей с заданной фазой и поляризацией, работающих в двух близких цветах. Решётка естественным образом делится на субъячейки с противоположной локальной топологией, но при этом сохраняет чёткий чередующийся рисунок по всей структуре. Авторы предлагают практические схемы с использованием дипольных решёток, решётчатых ответвителей или микроволновых антенн для реализации расположения источников.
В отличие от более ранних оптических «прыгунов», которые использовали дифракцию луча вдоль оси распространения, эта конструкция работает в объединённой пространственно-временной области в фиксированной плоскости, а основную работу выполняет периодическое биение. Команда также обсуждает, в каких случаях структуры могут «пролетать» некоторое расстояние, сохраняя свою топологию, а в каких дифракция нарушает их целостность.
Топологические текстуры, такие как скирмионы, уже изменили представления о плотном хранении данных с низким уровнем ошибок и маршрутизации сигналов. Расширение этого набора инструментов за счёт кристаллов хопфионов в свете может открыть доступ к многомерным схемам кодирования, отказоустойчивым коммуникациям, стратегиям улавливания атомов и новым взаимодействиям света и материи. «Появление пространственно-временных кристаллов хопфионов, — пишут авторы, — открывает путь к сжатой, надёжной топологической обработке информации в оптическом, терагерцовом и микроволновом диапазонах».