Um exemplo típico é a textura semelhante a um furacão em nanoescala de um campo magnético em filmes finos magnéticos, comportando-se como partículas – ou seja, sem mudar de forma – chamadas skyrmions. Padrões semelhantes em forma de rosquinha (ou toroidais) no espaço 3D, visualizando distribuições espaciais complexas de várias propriedades de uma onda, são chamados hopfions. Alcançar tais estruturas com ondas de luz é muito difícil.
Estudos recentes de luz estruturada revelaram fortes variações espaciais de polarização, fase e amplitude, que permitem a compreensão de – e abrem oportunidades para projetar – estruturas ópticas topologicamente estáveis se comportando como partículas. Tais quasipartículas de luz com controle de propriedades topológicas diversificadas podem ter grande potencial, por exemplo, como portadores de informação de próxima geração para transferência de informação óptica de capacidade ultragrande, bem como em tecnologias quânticas.
Conforme relatado no Advanced Photonics, físicos colaboradores do Reino Unido e da China demonstraram recentemente a geração de padrões de polarização com propriedades topologicamente estáveis projetadas em três dimensões, que, pela primeira vez, podem ser transformadas e propagadas de forma controlada no espaço livre.
(a) A esfera do espaço paramétrico que representa o spin: os graus de longitude e latitude (α e β) de uma 2-esfera paramétrica são representados pela tonalidade de cor e sua luminosidade (escuro em direção ao pólo sul, onde o spin é baixo, e claro em direção ao pólo norte, onde o spin é para cima). Cada ponto em uma 2-esfera paramétrica corresponde a uma linha de iso-spin fechada localizada em um espaço euclidiano 3D. (b) As linhas projetadas dos pontos selecionados da mesma latitude β e diferentes longitudes α na hiperesfera (destacadas pelos pontos sólidos com as cores de matiz correspondentes), formam nós de toro cobrindo um toro (com diferentes toros correspondendo a diferentes β) . (c) A visualização no espaço real de uma fibração de Hopf como um mapeamento estereográfico completo de uma hiperesfera: nós torais dispostos em um conjunto de toros aninhados coaxialmente, com cada toro correspondendo a diferentes latitudes β de uma 2-esfera paramétrica. O círculo preto corresponde ao polo sul (giro para baixo) e o eixo dos toros aninhados corresponde ao polo norte (giro para cima) em (a). (d) A distribuição de spin 3D em um hopfion, correspondendo aos contornos de isospin em (c) com cada vetor de spin colorido por seus parâmetros α e β de uma esfera paramétrica em (a) conforme mostrado no encarte. (e, f) A visão em corte transversal da distribuição de spin em (d): (e) xy (z = 0) e (f) yz (x = 0) seções transversais mostram estruturas semelhantes a skyrmion com as setas cinzas marcando a vorticidade dos skyrmions. A escala de cores é a mesma que corresponde à direção de rotação em (d).
Como consequência desse insight, vários avanços significativos e novas perspectivas são oferecidos. “Relatamos uma nova família de luz estruturada muito incomum de sólitons topológicos 3D, os saltos fotônicos, onde as texturas topológicas e os números topológicos podem ser ajustados livre e independentemente, alcançando muito além das texturas topológicas fixas de ordem mais baixa descritas anteriormente,” diz Yijie Shen, da Universidade de Southampton, no Reino Unido, o principal autor do artigo.
“Nossos resultados ilustram a imensa beleza das estruturas de luz. Esperamos que eles inspirem novas investigações para aplicações potenciais de configurações topológicas de luz protegida em comunicações ópticas, tecnologias quânticas, interações luz-matéria, microscopia de super-resolução e metrologia”, diz Anatoly Zayats, professor no King’s College London e líder de projeto.
Este trabalho fornece um embasamento teórico descrevendo o surgimento desta família de hopfions e sua geração e caracterização experimental, revelando uma rica estrutura de texturas de polarização protegidas topologicamente. Em contraste com observações anteriores de saltos localizados em materiais no estado sólido, este trabalho demonstra que, contra-intuitivamente, um salto óptico pode se propagar no espaço livre com proteção topológica da distribuição de polarização.
A estrutura topológica robusta dos saltos fotônicos demonstrados na propagação é frequentemente procurada em aplicações.
Este modelo recém-desenvolvido de saltos topológicos ópticos pode ser facilmente estendido para outras formações topológicas de ordem superior em outros ramos da física. Os saltos de ordem superior ainda são um grande desafio de se observar em outras comunidades físicas, desde a física de altas energias até os materiais magnéticos. A abordagem óptica proposta neste trabalho pode fornecer uma compreensão mais profunda deste complexo campo de estruturas em outros ramos da física.
Achou útil essa informação? Compartilhe com seus amigos! 
Deixe-nos a sua opinião aqui nos comentários.
