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El equipo de la Universidad Tecnológica de Nanyang utilizó la mancha de Poisson para producir simultáneamente skyrmions de spin, de Stokes, de campo eléctrico y de campo magnético, prescindiendo de metamateriales sofisticados y creando una alternativa más simple para controlar tamaño, forma y comportamiento de estas estructuras luminosas.
Skyrmions ópticos fueron producidos por científicos de la Universidad Tecnológica de Nanyang, en Singapur, con un láser y un pequeño disco circular. Publicado en la revista Optica, el método recupera un fenómeno conocido hace más de 200 años y prescinde de metamateriales caros y complejos.
Skyrmions ópticos surgen con configuración más simple
Los skyrmions ópticos son diminutos patrones giratorios y estables formados por las propiedades de la luz. Su estructura suele compararse con las espinas de un erizo y puede codificar y almacenar información.
Por esta característica, los investigadores consideran estas estructuras prometedoras para futuras tecnologías de almacenamiento de datos, comunicación y computación. Sin embargo, los métodos tradicionalmente utilizados en su producción dependen de metamateriales caros, sofisticados y diseñados artificialmente.
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El equipo de la NTU Singapur encontró una alternativa más simple. Los investigadores dirigieron un láser hacia un pequeño disco circular y lograron producir, estudiar y controlar las estructuras complejas sin recurrir a los sistemas utilizados anteriormente.
Los descubrimientos fueron liderados por el profesor asistente Shen Yijie, de la Escuela de Ciencias Físicas y Matemáticas y de la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica de la NTU.
Según Shen, el aspecto destacado del trabajo es la posibilidad de generar skyrmions usando solo el efecto por el cual la luz se curva alrededor de un objeto, sin metamateriales artificiales caros o técnicas altamente especializadas.
El profesor afirmó que la reducción de esta barrera técnica puede hacer que los skyrmions ópticos sean más accesibles. El método crea nuevas posibilidades de investigación en las áreas de óptica, materiales y computación.
Experimento clásico de 200 años gana nueva función
La innovación recupera la mancha de Poisson, fenómeno óptico en el cual un punto brillante aparece en el centro de la sombra producida por un objeto circular iluminado por una fuente coherente de luz, como un láser.
Este fenómeno tuvo un papel importante en el debate científico de principios del siglo XIX. En ese período, se discutía si la luz viajaba solamente como partículas en línea recta o también se comportaba como ondas capaces de curvarse y dispersarse.
La teoría ondulatoria preveía la aparición de un punto brillante en el centro de la sombra del disco, justamente donde se esperaría oscuridad completa. La observación ofreció evidencias convincentes de la difracción de la luz.
La difracción ocurre cuando la luz se curva y se dispersa al rodear objetos o atravesar pequeñas aberturas. Más de 200 años después, este efecto pasó a sustentar una manera simplificada de crear estructuras topológicas luminosas.
Cuatro tipos aparecen simultáneamente
En medio del experimento con skyrmions ópticos, los científicos verificaron que la configuración de la mancha de Poisson producía naturalmente hasta cuatro patrones de campo topológico relacionados al mismo tiempo.
Fueron observados skyrmions de spin, skyrmions de Stokes, skyrmions de campo eléctrico y skyrmions de campo magnético. El spin corresponde a las propiedades de rotación de la luz.
Los parámetros de Stokes describen la polarización, es decir, la dirección en la cual las ondas luminosas vibran mientras se propagan. Ya los otros patrones están relacionados con los vectores de los campos eléctrico y magnético de la luz.
La producción simultánea permite comparar cómo diferentes skyrmions se forman, evolucionan e interactúan dentro del mismo campo luminoso. Simulaciones computacionales mostraron estructuras compuestas por conjuntos giratorios de flechas.
Las flechas representan los cambios de dirección de las diferentes propiedades de la luz a lo largo de la mancha de Poisson. Según los investigadores, los componentes están íntimamente ligados, pero no forman necesariamente patrones topológicos idénticos.
Control puede alcanzar tamaño, forma y comportamiento
La luz reúne propiedades manipulables como intensidad, fase, polarización, spin y vectores de campo eléctrico y magnético. Estas características pueden ser organizadas en patrones topológicos que permanecen estables incluso cuando son estirados o distorsionados.
Al ajustar las condiciones responsables de moldear el campo luminoso, los científicos pueden conseguir controlar precisamente el tamaño, la forma y el comportamiento de los skyrmions ópticos.
Shen explicó que varios tipos de vectores ópticos pueden formar estructuras topológicas simultáneamente en el punto luminoso creado por el equipo. La comparación puede revelar nuevas conexiones entre propiedades eléctricas, magnéticas y otras características físicas de la luz.
Los skyrmions fueron propuestos inicialmente en la física de partículas y nuclear. Luego, se convirtieron en un área importante de investigación en la física de la materia condensada y en el estudio de materiales magnéticos.
Más recientemente, los científicos comenzaron a investigar skyrmions ópticos como estructuras estables, similares a partículas, existentes en campos luminosos. La nueva configuración puede ampliar el acceso a este campo de investigación.
El trabajo proporciona una base para futuros estudios sobre luz topológica y puede contribuir a avances en fotónica, materiales avanzados, procesamiento de información y computación de próxima generación, manteniendo los skyrmions ópticos en el centro de estas posibles aplicaciones.
