Fizycy z Uniwersytetu Warszawskiego uzyskali półskyrmiony

| Astronomia/fizyka
Wydział Fizyki UW, M. Król

Naukowcy z międzynarodowej grupy badawczej koordynowanej przez Uniwersytet Warszawski wytworzyli w cienkiej warstwie ciekłego kryształu uwięzionej pomiędzy dwoma lustrami światło, którego przestrzenny rozkład polaryzacji jest topologicznie półskyrmionem (meronem). Wyniki swoich badań opisali w artykule, który ukazał się na łamach czasopisma Optica.

Skyrmiony, które po raz pierwszy udało się zobrazować zaledwie 10 lat temu, są np. spotykane jako elementarne wzbudzenia namagnesowania w dwuwymiarowym ferromagnetyku. Kontrola polaryzacji światła padającego oraz orientacji molekuł ciekłego kryształu pozwoliła na obserwację meronu i antymeronu pierwszego i – po raz pierwszy – drugiego rzędu.

W badaniach naukowych ogromną rolę odgrywają różnego rodzaju pola fizyczne, czyli przestrzenne rozkłady wielkości fizycznych. Przykładowo, mapa pogody przedstawia rozkład temperatury i ciśnienia (są to pola skalarne) oraz prędkości i kierunku wiatru (jest to pole wektorowe). Pole wektorowe niemal każdy nosi na swojej głowie – włosy mają swój początek i koniec (jak wektory). Ponad 100 lat temu L.E.J. Brouwer udowodnił twierdzenie o zaczesywaniu sfery (jest takie!), które mówi, że nie można uczesać włosów na powierzchni kuli tak, żeby nie powstały wiry albo przedziałki.

W magnetyzmie elementarne wzbudzenia dwuwymiarowego pola wektorowego namagnesowania, mające postać wirów, nazywają się skyrmionami. Obchodząc środek takiego wiru zgodnie z ruchem wskazówek zegara, obserwujemy, że wektory (włosy, kolce) zaczepione w kolejnych punktach mogą się obracać raz lub wiele razy, zgodnie lub przeciwnie do kierunku obchodzenia (rys. 2). Wielkość, która opisuje tę właściwość, nazywa się wirowością. Skyrmiony i półskyrmiony (tzw. merony) o różnych wirowościach spotyka się w tak różnorodnych układach fizycznych, jak materia jądrowa, kondensaty Bosego-Einsteina, cienkie warstwy magnetyczne. Są one także elementem opisu  kwantowego efektu Halla, niżów, wyżów i tornad. Szczególnie ciekawe są układy doświadczalne, w których na życzenie można wytworzyć rozmaite pola wektorowe i zbadać, w jaki sposób one na siebie oddziałują.

Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Wojskowej Akademii Technicznej, Uniwersytetu w Southampton, Instytutu Skołkowo pod Moskwą i Instytutu Fizyki PAN wytworzyli w cienkiej warstwie ciekłego kryształu – uwięzionej pomiędzy dwoma niemal perfekcyjnymi lustrami – światło, którego polaryzacja zachowuje się jak półskyrmion (meron). Kontrola polaryzacji światła padającego oraz orientacji molekuł ciekłego kryształu pozwoliła na obserwację meronu i antymeronu pierwszego i – po raz pierwszy – drugiego rzędu (wirowości: -2, -1, 1 oraz 2).

Relatywnie prosta w budowie wnęka optyczna, wypełniona ciekłym kryształem, pozwala naukowcom wytworzyć, obserwować i badać egzotyczne stany polaryzacji światła. Opracowane urządzenie umożliwia testowanie na stole optycznym zachowania pól wektorowych: anihilację, przyciąganie lub odpychanie skyrmionów i meronów. Poznanie natury oddziaływania tych obiektów może mieć znaczenie dla zrozumienia funkcjonowania bardziej skomplikowanych układów fizycznych, wymagających bardziej wyrafinowanych metod badawczych (np. temperatur kriogenicznych).

Źródło: Uniwersytet Warszawski

półskyrmion meron Uniwersytet Warszawski