Fundamentele deeltjes gemodelleerd in lichtstraal

Wetenschappers van de Universiteit van Birmingham zijn erin geslaagd een experimenteel model te maken van een ongrijpbaar soort fundamenteel deeltje dat een skyrmion wordt genoemd in een lichtstraal. De doorbraak biedt natuurkundigen een echt systeem dat het gedrag van skyrmionen demonstreert, 60 jaar geleden voor het eerst voorgesteld door een wiskundig fysicus van de Universiteit van Birmingham, professor Tony Skyrme.

Het idee van Skyrme gebruikte de structuur van bollen in de 4-dimensionale ruimte om de ondeelbare aard van een skyrmion-deeltje in 3 dimensies te garanderen. Er wordt getheoretiseerd dat 3D-deeltjesachtige skyrmionen ons vertellen over de vroege oorsprong van het heelal, of over de fysica van exotische materialen of koude atomen. Ondanks dat ze al meer dan 50 jaar worden onderzocht, zijn 3D-skyrmionen echter zeer zelden waargenomen in experimenten. Het meest recente onderzoek naar skyrmionen richt zich op 2D-analogen, wat veelbelovend is voor nieuwe technologieën.

In een nieuwe studie heeft de internationale samenwerking tussen onderzoekers van de Universiteit van Birmingham, Lancaster, Münster (Duitsland) en RIKEN (Japan) voor het eerst aangetoond hoe skyrmionen in drie dimensies kunnen worden gemeten. Professor Mark Dennis, die het onderzoek leidde, zei:"Skyrmions hebben fysici al tientallen jaren geïntrigeerd en uitgedaagd. Hoewel we goede vorderingen maken met het onderzoeken van skyrmions in 2D, leven we in een 3D-wereld. We hebben een systeem nodig dat een skyrmion in al zijn mogelijke toestanden kan modelleren op een manier die kan worden gemeten. We realiseerden ons dat een lichtstraal voor dit doel kon worden gebruikt omdat we in staat zijn om de eigenschappen ervan nauwkeurig te controleren, en het dus als platform te gebruiken om onze skyrmions te modelleren. Met deze aanpak kunnen we deze objecten echt gaan begrijpen en hun wetenschappelijk potentieel realiseren.”

Om hun model te maken, hebben Dr. Danica Sugic en professor Dennis, in de School of Physics and Astronomy van de universiteit, de standaardbeschrijving van licht, de polarisatie (richting waarin de lichtgolven reizen) en fase (de positie van de vibratie van de lichtgolven) gegoten. in termen van een bol in een 4-dimensionale ruimte, cruciaal voor Skyrme's oorspronkelijke visie. Hierdoor kon het Skyrmion-veld worden ontworpen en ontwikkeld tot een laserlichtstraal in een experiment onder leiding van professor Cornelia Denz, Universiteit van Münster. Het team gebruikte geavanceerde metingen om de precieze structuur van het skyrmion te bepalen.

"Deze objecten zijn eigenlijk heel ingewikkeld, vanuit een geometrisch oogpunt", zei Dr. Sugic. “Ze lijken op een complex systeem van in elkaar grijpende ringen, waarbij het geheel een deeltjesachtige structuur vormt. Wat vooral interessant is, zijn de topologische eigenschappen van het skyrmion - ze kunnen worden vervormd, uitgerekt of samengedrukt, maar zullen niet uit elkaar vallen. Deze robuustheid is een van de eigenschappen die wetenschappers het meest willen benutten.”