27.02.2021
PL EN
23.02.2021 aktualizacja 23.02.2021
Ludwika Tomala
Ludwika Tomala

Fotony jak masywne cząstki ze spinem? Pełne zawirowań doświadczenie

Rys. Mateusz Król Rys. Mateusz Król

Udało się nam wykonać ze światła, a więc z bezmasowych fotonów coś, co przypomina zespół cząstek obdarzonych spinem. U nas rolę spinu gra polaryzacja światła - mówi prof. Jacek Szczytko z UW. Badania trafiły na okładkę periodyku „Optica”.

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".

 

Okładka czasopisma 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.

 

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 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5>, via Wikimedia Commons

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.

Merony i antymerony

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/

Copyright © Fundacja PAP 2021