Topologisk kontrollerede multiskyrmioner:Forskere foreslår en ny familie af kvasipartikler

Skyrmioner er topologisk beskyttede kvasipartikler med sofistikerede spin-teksturer, bredt undersøgt i systemer med kondenseret stof, magneter og for nylig i fotonik, som forudsiger et stort potentiale i ultra-høj-kapacitet informationslagring på grund af deres diversificerede og stabile topologiske spin-teksturer i ultrasmå partikler. som region.

Motiveret af efterspørgslen efter informationsbærere med ultrakapacitet søger ny forskning at skabe og kontrollere mere komplekse kvasipartikler med udvidede topologiske teksturer af højere orden ud over de fundamentale skyrmioner, såsom de transformerbare meron-gitre og skyrmion-bundter i chirale magneter, skyrmion-poser med store topologiske ladninger og heliknotoner med komplekse knuder i flydende cystaller, for at nævne nogle få.

Disse topologiske teksturer eksisterer dog alle som steady states i materialer, hvilket kan være perfekt til lagring af solid-state information, men umuligt for langtrækkende dynamisk informationsoverførsel.

Nylige undersøgelser af optiske skyrmioner (Nature Photonics ) kan løse dette problem. Det er vigtigt, at de topologiske spin-teksturer kan skabes i højere dimensionelle strukturerede lysfelter (Light:Science &Applications ), og åbne en ny retning for topologisk stabil langdistance optisk kommunikation med stor kapacitet for at revolutionere vores informationssamfund.

Derfor er fremkomsten af ​​nye former for optiske kvasipartikler med udvidede topologiske strukturer og ordener altid meget ønsket og lover udvidelsen af ​​grundlæggende og anvendt fysisk grænse.

I et papir offentliggjort i Physical Review Applied , foreslog et internationalt samarbejde en ny familie af kvasipartikler, kaldet multiskyrmioner, som besidder multipol-lignende udvidede konfigurationer med stadig mere komplekse nye topologier og kontrolleret af flere topologiske ordener, ud over grænsen for normale skyrmioner.

Derudover præsenterer forskere den eksperimentelle generering og fleksible kontrol af et stort udvalg af on-demand topologiske tilstande ved hjælp af en fotonisk teknik. Desuden er standard skyrmioner normalt produceret af eksotiske strukturerede materialer såsom chiral magnetik, plasmoniske systemer.

De viser, at deres nye kvasipartikelalfabet kan konstrueres fra simple GRIN-linser, udlån til øjeblikkelig og udbredt implementering og i mere kompakte systemer.

Desuden kan de fotoniske kvasipartikler i GRIN-linser kobles til optiske systemer med frit rum, hvilket realiserer en langrækkende transport af kontrollerede topologier.

Baseret på denne fordel foreslår teamet en praktisk kvasipartikelbaseret informationsoverførselsprotokol for ultrakapacitetskryptering, hvor de multiple topologiske antal af diversificerede kvasipartikler bruges til at kode og overføre information med robuste topologier mod miljøforstyrrelser.

Derudover kan kapaciteten og kanalerne i denne ordning fleksibelt spændes over ved at arrangere GRIN-linse/kvasipartikel-arrayet, der slår de nuværende optiske kommunikationsmetoder.

"Vi mener, at dette arbejde er en milepæl. Da skyrmioner eller kvasipartikler i magneter allerede har rejst revolutionen af ​​ultra-kapacitet steady data storage, mens vores arbejde begynder at møde udfordringen og åbne nye forskningsretninger for skyrmion-baseret informatik fra steady storage til Dynamisk transport Vores metode giver integrerede og programmerbare løsninger af komplekse partikelteksturer med indvirkning på både fotoniske og generelle kondenserede systemer for at revolutionere topologisk informatik og logiske enheder," sagde forskerne.

Flere oplysninger: Yijie Shen et al., Topologisk kontrollerede multiskyrmioner i fotoniske gradientindekslinser, Physical Review Applied (2024). DOI:10.1103/PhysRevApplied.21.024025. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2304.06332

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang anvendt , Lys:Videnskab og applikationer , Naturfotonik , arXiv

Leveret af Chinese Academy of Sciences