200 年歷史的物理實驗可以幫助建立未來的計算機

光學斯格明子是光的特性內所產生的小而穩定的渦旋圖案。它們的結構經常被比作刺蝟的脊柱。由於它們可以編碼和存儲信息，研究人員將其視為未來數據存儲、通信和計算技術的一個有前景的構建模組。

南洋理工大學團隊沒有依賴傳統上製造光學斯格明子所需的昂貴且高度發達的超材料，而是透過將雷射照射在小圓盤上來製造它們。視覺化提供了一種更簡單的方法來產生、分析和控制這些複雜的光結構。

研究結果發表在期刊上 光學的南洋理工大學助理教授沉義傑曾任南洋理工大學物理與數學科學學院和電機與電子工程學院院長。

「值得注意的是，現在可以透過在物體周圍彎曲光線的簡單效果來產生光學斯格明子，而不需要依賴昂貴且複雜的人造超材料或高度專業化的技術，」沈助理教授解釋道。

“這可以使研究人員更容易獲得光學斯格明子。通過降低創建和研究它們的技術障礙，該方法為科學家探索如何將它們用於未來的光學、材料和計算研究提供了新的機會。”

經典光現象找到了新用途

這項突破是基於泊松點，這是一種眾所周知的光學現象，當受到相干光源（例如雷射）照射時，圓形物體投射的陰影中心會出現一個亮點。

泊松斑在 19 世紀關於光本質的爭論中發揮了重要作用。當時，科學家質疑光是否僅以粒子形式沿直線傳播，或者是否表現為可以彎曲和傳播的波。

波動理論預測，圓盤陰影的中間應該會出現一個亮點，否則這裡可能會一片漆黑。對泊松點的觀察提供了令人信服的證據，證明光會發生衍射，這意味著它會在物體周圍或穿過小開口時彎曲和擴散。

同時提供四種光學斯格明子類型

研究人員還發現，他們的泊松點配置自然地同時產生了四種拓樸相關的場模式。

這些包括自旋斯格明子、斯托克斯斯格明子、電場斯格明子和磁場斯格明子。自旋是指光的類似旋轉的屬性，而斯托克斯參數描述偏振或光波傳播時振動的方向。

將這四種類型結合在一起可以為科學家提供一個獨特的機會來比較不同的光學斯格明子如何在同一光場中形成、演化和相互作用。

電腦模擬顯示該結構是一個旋轉的箭頭陣列，顯示了光的不同屬性如何沿著泊松空間變化。

控制複雜照明的更簡單方法

光具有研究人員可以操縱的許多屬性，包括其強度、相位、偏振、自旋以及電場和磁場向量。

這些屬性可以組織成拓撲結構，即儘管被拉伸或扭曲但仍保持穩定的模式。透過調整形成光場的條件，科學家將能夠精確控制光學斯格明子的尺寸、形狀和行為。

沈教授說：「在我們創建的光點中，多個光向量可以同時形成拓撲結構。這些不同的光分量密切相關，但它們不一定形成相同的拓撲圖案。

“能夠在單一系統中產生和比較多個斯格明子可以幫助研究人員發現光的電、磁和其他物理特性之間的新聯繫。”

計算機科學和光子學的潛在應用

斯格明子是在粒子和核物理中提出的，後來成為凝聚態物理和磁性材料研究的重要領域。最近，科學家開始研究光學斯格明子作為光場內穩定的粒子狀結構。

早期產生光學斯格明子的方法依賴超材料，超材料是人工設計的微觀結構，旨在以傳統材料無法做到的方式操縱光。

透過用更簡單的光學裝置取代這些複雜的系統，南洋理工大學團隊的工作可以讓光學斯格明子研究變得更容易。這些發現也為未來的拓樸光研究奠定了基礎，並可能有助於光子學、先進材料、資訊處理和下一代運算的進步。