Fotony jak masywne cząstki ze spinem? Pełne zawirowań doświadczenie

Półtora roku temu kierowany przez prof. Jacka Szczytkę z UW zespół naukowców pokazał w "Science", jak fotony - a więc niemające masy i poruszające się z prędkością światła cząstki - da się sprytnymi sztuczkami "zatrzymać" i skłonić, by zachowywały się jak zupełnie inne cząstki - posiadające masę i reagujące na pole magnetyczne elektrony.

"Teraz poszliśmy kroczek dalej. Udało nam się wykonać ze światła coś, co przypomina zespół cząstek obdarzonych spinem. U nas rolę spinu gra polaryzacja światła" - mówi w rozmowie z PAP prof. Jacek Szczytko z Wydziału Fizyki UW. Badania ukazały się w czasopiśmie "Optica".

Rys: Badania zespołu trafiły na okładkę czasopisma Optica. To tekstura spinowa anty-meronu drugiego rzędu obserwowana na powierzchni dwójłomnej mikrownęki optycznej. Źródło: Optica, M. Król et al.

Spin można sobie wyobrazić jako właściwość związaną z ruchem obrotowym cząstki wokół własnej osi; może on mieć tylko dwie wartości. Właściwości magnetyczne materii zależą od tego, w jaki sposób względem siebie ułożone są spiny poszczególnych elektronów. Zwykle w nienamagnesowanym materiale spiny elektronów rozłożone są chaotycznie. Kiedy jednak cząstki się namagnesuje - np. w ferromagnetyku - wszystkie spiny układają się w jedną stronę.

"Na namagnesowanej płaszczyźnie można badać elementarne wzbudzenie - przekręcenie jednego spinu - aby zobaczyć, jak zachowują się spiny w sąsiedztwie. To przekręcenie spinu tworzy w fizyce defekt topologiczny - obiekt, który się nazywa skyrmionem" - mówi prof. Szczytko.

I tłumaczy, jak wyobrazić sobie zawirowania na przykładzie pola wektorowego. Polem wektorowym jest np. mapa pogody, na które naniesione są kierunki i prędkości wiatru w poszczególnych miejscach. Trąby powietrzne to byłyby właśnie zawirowania w tym polu.

"A pole wektorowe niemal każdy nosi na swojej głowie – włosy - tak jak wektory - mają swój początek i koniec" - mówi. "Ponad 100 lat temu Luitzen E.J. Brouwer udowodnił twierdzenie o zaczesywaniu sfery, które mówi, że nie można 'zaczesać' wektorów na kuli - a to znaczy, że również uczesać włosów na głowie albo kolców jeża - tak, żeby nie powstały wiry albo przedziałki" - uśmiecha się naukowiec.

Fot: Włosy na głowie jako pole wektorowe? Jedno z twierdzeń zakłada, że nie da się zaczesać sfery tak, aby nie pojawiły się na niej "wicherki" ani przedziałki. Fot: NoJhan, CC BY-SA 2.5, via Wikimedia Commons

Różnym rodzajom wirów w polu wektorowym nadano różne nazwy. Są tam choćby skyrmiony, merony, antymerony - I i II stopnia, które różnią się tzw. stopniem wirowości.

Naukowcy postanowili zaburzenia w polu wektorowym charakterystyczne dla cząstek ze spinem odtworzyć w modelu świetlnym.

"Wykorzystując to, że nasze światło zachowuje się jak namagnesowana cząstka, wytworzyliśmy w mikrownęce optycznej wiązkę światła, w której występują egzotyczne obiekty - wiry, skyrmiony i merony o różnej charakterystyce. Potrafimy je kontrolować. I tak niektóre z takich obiektów - merony i antymerony II stopnia - udało się zademonstrować po raz pierwszy" - mówi fizyk.

Rys: Różne rodzaje wirów w polu wektorowym: merony i antymerony, a także merony i antymerony II stopnia. Źródło: materiały autorów

Badacz tłumaczy, że w tym przypadku wnęka optyczna to cienka warstwa ciekłego kryształu zamknięta między dwoma lustrami. Wewnątrz wnęki światło tworzy falę stojącą - tzw. mody wnęki o ściśle określonej energii i polaryzacji. W doświadczeniu tym ciekły kryształ, który inaczej załamuje światło o różnych polaryzacjach, transmituje w różne strony światło o precyzyjnie zdefiniowanych właściwościach. "Mody są więc spolaryzowane. A kierunek drgań pola elektrycznego może być zaprezentowany w postaci strzałek, gdzie kierunek strzałki oznacza umowny opis polaryzacji światła" - mówi naukowiec.

Dodaje, że "strzałki" pola wektorowego i wiry to nie jest właściwie rozumiane pole elektromagnetyczne i charakterystyczny dla niego spin, a raczej jego świetlny model. "Wiemy, że światło jest cząstką bezmasową. Ale we wnęce zachowuje się jak cząstka masywna i jego polaryzacja odgrywa funkcję spinu. Bawimy się polaryzacją i światło odtwarza struktury charakterystyczne dla ferromagnetyków, ich elementarne wzbudzenia" - mówi.

Opracowane urządzenie umożliwia testowanie na stole optycznym zachowania pól wektorowych: anihilację, przyciąganie lub odpychanie zaburzeń w wytworzonym polu. "Poznanie natury oddziaływania tych obiektów może mieć znaczenie dla zrozumienia funkcjonowania bardziej skomplikowanych układów fizycznych, wymagających bardziej wyrafinowanych metod badawczych (np. temperatur kriogenicznych)" - mówi prof. Szczytko.

Takie zawirowania, skyrmiony i merony o różnych wirowościach spotyka się w tak różnorodnych układach fizycznych jak materia jądrowa, kondensaty Bosego-Einsteina, cienkie warstwy magnetyczne, są 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" - podsumowuje prof. Szczytko.

"To, co robimy, zabawa z pogranicza fizyki i matematyki, a zwłaszcza zagadnień topologicznych" - mówi.

PAP - Nauka w Polsce

lt/ ekr/