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- 일종의 도넛 또는 연기 고리를 형성하는 위상 구조
- 빛에서 제어되는 호프이온(Hopfions)은 새로운 물리적 관점과 응용 프로그램을 가능케 함
- 광학 데이터 전송 또는 양자 기술에서 정보 캐리어로 사용될 수 있어

빛으로 만든 새로운 종류의 "스모그 링Smog ring"
물리학자들이 레이저 빔으로 맞춤형 성형 가능한 도넛 구조를 만들었다.

물리학자들이 빛으로 새로운 3D 구조를 만들었다. 빛이 일종의 도넛 또는 연기 고리를 형성하는 위상 구조다. 팀은 레이저 빔에서 자유롭게 떠다니는 링을 스카미온Skyrmionen의 3차원 광자 변종(고체의 이국적인 자기 소용돌이)으로 설명한다. 빛에서 제어되는 형성 가능한 호프이온(Hopfions)은 새로운 물리적 관점과 응용 프로그램을 가능하게 할 수 있다.

▲ 빛은 연기 고리와 유사한 꼬인 위상 구조로 형성될 수 있다. © Y.Shen and Z.Zhu.

skyrmions, 양자 매듭 또는 빛의 고리:

전자기 및 양자 물리적 효과는 이국적인 구조를 생성할 수 있다. 이러한 토폴로지 현상은 특이한 전기적 및 자기적 특징을 나타내며 준입자와 유사한 방식으로 거동할 수 있다. 따라서 결정질 고체에서 이러한 구조는 무엇보다도 데이터 저장 및 양자 응용 분야에서 유망한 후보로 여겨진다.

이러한 토폴로지 구조는 빛으로도 만들 수 있다. 이러한 3차원 구조는 광파의 편광 및/또는 위상의 국부적 변형에 의해 생성된다. 결과적으로 빛은 링이나 나사와 유사한 로컬 웨이브 패킷(wave packet)을 형성한다. 에너지 장벽은 솔리톤(Soloton)이라고도 하는 이러한 구조가 안정적으로 유지되도록 한다. 그들은 광선과 함께 전체적으로 움직인다.

빛으로 만든 맞춤형 도넛

Southampton 대학의 이지에 센(Yijie Shen)과 그의 동료들은 이제 그러한 토폴로지 솔리톤의 특별한 형태를 만들고 설명했다. 이것들은 빛으로 만들어진 일종의 "연기 고리"로, 광파의 환상형 꼬인 편광 패턴으로 형성된다. 연구팀은 레이저 빔에서 자유롭게 떠다니는 이른바 광자 홉피온을 생성하는 데 성공했다. 이러한 구조의 모양과 권선도 제어된 방식으로 변경할 수 있다. 

▲ 검은색 원은 (a)에서 남극(스핀 다운)에 해당하고 중첩된 토리의 축은 북극(스핀 업)에 해당. (d) 패널(c)의 아이소스핀 윤곽에 해당하는 홉피온의 3D 스핀 분포. 각 스핀 벡터는 패널(a)의 파라메트릭 구의 α 및 β 매개변수로 색상이 지정(삽입된 그림 참조). (e), (f) 패널 (d)의 스핀 분포 단면도: (e) x–y(z=0) 및 (f) y–z(x=0) 단면은 스카미온- skyrmions의 vorticity를 표시하는 회색 화살표가있는 구조와 같다. 색상 스케일은 패널(d)의 스핀 방향에 해당.(출처: 관련논문 Topological transformation and free-space transport of photonic hopfions)

"우리는 광자 호프 이온(photonic hopf ions)이라는 새롭고 매우 특이한 빛의 3차원 위상 솔리톤군을 보고한다"며 "그들의 위상 텍스처와 주요 수치는 지금까지 설명한 하위 고정 텍스처 토폴로지를 훨씬 뛰어넘는 자유롭고 독립적으로 설정할 수 있다"고 센은 말했다.

다양한 응용 가능성

연구원들에 따르면, 그러한 광자 개체의 형태를 조정하고 제어하는 ​​능력은 큰 잠재력을 가지고 있다. 가벼운 도넛은 광학 데이터 전송 또는 양자 기술에서 정보 캐리어로 사용될 수 있다. "우리의 결과는 빛으로 만들어진 구조물의 엄청난 아름다움과 잠재력을 보여준다"고 King's College London의 수석 저자인 아나톨리 자야츠(Anatoly Zayats)는 말한다. 그는 "우리의 결과가 광통신, 광물질 상호작용, 새로운 형태의 현미경 및 계측과 관련하여 위상적으로 안정화된 광 구성에 대한 추가 연구를 자극할 수 있기를 바란다"고 덧붙였다.
(Advanced Photonics, 2023; doi: 10.1117/1.AP.5.1.015001)
출처: SPIE - 국제 광학 및 포토닉스 협회

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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