Se siili, joka piiloutui lasersäteeseen

Klassinen valoilmiö yllättää jälleen

Kuvittele tilanne: osoitat laserilla pieneen ympyrälevyyn. Luulisi, että varjo näkyy yksinkertaisena tummana alueena. Mutta ei. Keskelle tuota varjoa ilmestyy kirkas valopiste. Tämä on Poissonin valopiste, ja se on hämmästyttänyt tutkijoita jo 1800-luvulta lähtien.

Nyt Singaporeen. Nanyangin teknologisen yliopiston tutkijat ovat tehneet löydön, joka yhdistää tämän vanhan klassikon moderniin fysiikkaan. He huomasivat, että Poissonin valopisteen avulla voi synnyttää jotain nimeltä optisia skyrmioneja.

Mitä ne ovat? Pieniä, pyörteisiä kuvioita, jotka muodostuvat valon sisälle. Tutkijat vertaavat niiden rakennetta siilin piikkeihin – siistejä pieniä spiraaleja, jotka pysyvät vakaina ja järjestyksessä. Eivätkä ne ole vain kauniita katsella. Näitä rakenteita voidaan mahdollisesti käyttää tiedon tallentamiseen ja käsittelyyn.

Miksi tämä on iso juttu?

Aiemmin optisten skyrmionien luomiseen tarvittiin kalliita, monimutkaisia metamateriaaleja – keinotekoisesti suunniteltuja rakenteita, jotka taivuttelevat valoa tavallisten materiaalien tavoin. Hintalapusta ei kannata edes puhua.

NTU:n tiimi sen sijaan käytti pelkkää laseria ja pientä ympyrälevyä. Siinä kaikki. Ei metamateriaaleja.

"Tämä on merkittävää", sanoo apulaisprofessori Shen Yijie. "Optisia skyrmioneja voi nyt tuottaa yksinkertaisella valon taipumisilmiöllä. Kallista tekniikkaa tai erikoismateriaaleja ei tarvita."

Tämä madaltaa kynnystä astua alalle. Yhä useammat tutkijat voivat nyt kokeilla ja kokea – ja se nopeuttaa löytöjä.

Hauska historiallinen kytkös

Poissonin valopisteellä on maineikas historia. Se auttoi ratkaisemaan yhden tieteen vanhimmista kiistoista: onko valo hiukkasia, jotka kulkevat suoraan, vai aaltoja, jotka taipuvat ja leviävät?

Aaltoteoria ennusti tuon kirkkaan pisteen varjon keskelle. Kun tutkijat näkivät sen omin silmin, se oli vahva todiste valon diffraktiosta – siitä miten valo taipuu esineiden ympärillä tai pienten rakojen läpi kulkiessaan. Tämä oli virstanpylväs valon luonteen ymmärtämisessä.

Ja nyt, yli 200 vuotta myöhemmin, sama ilmiö ohjaa meitä kohti seuraavan sukupolven laskentaa. Siinä on jotain poetiikkaa.

Neljä skyrmionia yhdellä kertaa

Tässä tulee toinen käänne. Tutkijat huomasivat, että heidän yksinkertainen asetteensa tuottaa samanaikaisesti neljä erilaista optista skyrmionityyppiä. Sähkömagneettiset spin-skyrmionit, Stokes-skyrmionit sekä sähkö- ja magneettikenttien skyrmionit ilmestyvät kaikki yhteen valokenttään.

Usean skyrmionityypin tuottaminen kerralla antaa tutkijoille harvinaisen tilaisuuden tutkia, miten nämä erilaiset rakenteet syntyvät, kehittyvät ja vuorovaikuttavat keskenään. Se on kuin katsoisi samaa ilmiötä neljästä eri suunnasta – ja näkisi yhteyksiä, jotka muuten jäisivät huomaamatta.

Mitä tämä tarkoittaa laskennalle?

Skyrmionit eivät sinänsä ole uusi juttu. Ne esiteltiin ensimmäiseksi hiukkas- ja ydinfysiikassa, ja sittemmin ne nousivat tärkeiksi magneettisten materiaalien tutkimuksessa. Optiset skyrmionit ovat kuitenkin uudempi rintama, ja niiden mahdollisuudet kuulostavat lupaavilta.

Koska nämä rakenteet ovat topologisia – eli ne pysyvät vakaina, vaikka niitä venyttäisi tai vääristäisi – ne voisivat toimia kestävinä rakennuspalikoina tiedon tallentamiseen ja käsittelyyn. Kuvittele tallennus, joka ei mene sekaisin, vaikka laite kolhaisi pöydässä. Sellaista vakautta topologiset rakenteet voivat tarjota.

NTU:n työ ei vain tee optisten skyrmionien tutkimusta saavutettavammaksi. Se avaa kokonaisia uusia väyliä tutkia, miten voisimme hyödyntää valon ominaisuuksia teknologisissa sovelluksissa.

Kaiken ydin

Tiede rakastaa täyskäännöksiä. Ilmiö, joka löydettiin 200 vuotta sitten valon luonnetta koskevan kiistan ratkaisemiseksi, osoittaa nyt kohti laskennan tulevaisuutta. Ja parasta? Välineet tämän rajan tutkimiseen just tulivat paljon halvemmiksi ja yksinkertaisemmiksi.

Pidän silmät auki tämän tutkimuksen kehittymiselle. Joskus mullistavimmat löydöt syntyvät, kun katsoo vanhoja asioita uusin silmin – tai, tässä tapauksessa, paistaa vanhaa valoa uuden linssin läpi.

Lähde: ScienceDaily