Wetenschappers creëren skyrmion-model in lichtbundel, bevestigen 60 jaar oud theoretisch deeltje

Wetenschappers van de Universiteit van Birmingham zijn erin geslaagd een experimenteel model te creëren van een moeilijk te vangen soort fundamenteel deeltje, een skyrmion, in een lichtbundel. De doorbraak biedt natuurkundigen een echt systeem dat het gedrag van skyrmions demonstreert, voor het eerst voorgesteld 60 jaar geleden door een wiskundige natuurkundige van de Universiteit van Birmingham, professor Tony Skyrme.

Skyrme's idee gebruikte de structuur van spheren in 4-dimensionale ruimte om de ongedeelde aard van een skyrmion-deeltje in 3 dimensies te garanderen. 3D deeltje-achtige skyrmions zouden ons volgens theorieën kunnen vertellen over de vroege oorsprong van het universum, of over de fysica van exotische materialen of koude atomen. Ondanks dat ze al meer dan 50 jaar onderzocht worden, zijn 3D skyrmions zelden in experimenten waargenomen. Het meest actuele onderzoek richt zich op 2D-analogen, die belofte bieden 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 gedemonstreerd hoe skyrmions in drie dimensies gemeten kunnen worden. Professor Mark Dennis, die het onderzoek leidde, zei: "Skyrmions hebben natuurkundigen al decennialang geïntrigeerd en uitgedaagd. Hoewel we goede vooruitgang boeken bij 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 meetbaar is. We realiseerden ons dat een lichtbundel hiervoor gebruikt kon worden omdat we de eigenschappen ervan nauwkeurig kunnen controleren, en dus als platform kunnen dienen om onze skyrmions te modelleren. Met deze benadering kunnen we beginnen deze objecten echt te begrijpen en hun wetenschappelijk potentieel te realiseren."

Om hun model te creëren, vormden 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 lichtgolven's trilling) in termen van een sfeer in 4-dimensionale ruimte, cruciaal voor Skyrme's oorspronkelijke visie. Hierdoor kon het skyrmion-veld worden ontworpen en geïntegreerd in een laserlichtbundel in een experiment onder leiding van professor Cornelia Denz, Universiteit van Münster. Het team gebruikte geavanceerde metingen om de precieze structuur van de skyrmion te bepalen.

"Deze objecten zijn eigenlijk best ingewikkeld, vanuit een geometrisch oogpunt," zei Dr. Sugic. "Ze lijken op een complex systeem van in elkaar gripende ringen, die samen een deeltje-achtige structuur vormen. Wat bijzonder interessant is, zijn de topologische eigenschappen van de skyrmion — ze kunnen vervormd, gerekt of samengeperst worden, maar vallen niet uiteen. Deze robuustheid is een van de eigenschappen die wetenschappers het meest geïnteresseerd zijn in te exploiteren."