Międzynarodowa grupa badawcza wspólnie z Singapurem i Japonią ujawniła plan układania egzotycznych, węzełkowatych wzorów światła w powtarzalne kryształy, które rozciągają się zarówno w przestrzeni, jak i czasie. Praca ta pokazuje, jak budować i kontrolować sieci „hopfionów” przy użyciu strukturalnych wiązek dwóch różnych kolorów, wskazując na przyszłe systemy do gęstego i niezawodnego przetwarzania informacji w fotonicznych.
Hopfiony to trójwymiarowe struktury topologiczne, których wewnętrzne wzory „spinu” przeplatają się w zamknięte, splecione pętle. Były one obserwowane lub teoretyzowane w magnesach i polach świetlnych, ale wcześniej były głównie tworzone jako obiekty izolowane. Autorzy pokazują, jak je składać w uporządkowane zbiory, które powtarzają się okresowo, podobnie jak atomy w krysztale, ale tu wzór powtarza się zarówno w czasie, jak i w przestrzeni.
Kluczem jest polje świetlne dwukolorowe, czyli bichromatyczne, którego wektor elektryczny śledzi zmieniający się stan polaryzacji w czasie. Poprzez ostrożne nałożenie wiązek o różnych modach przestrzennych i przeciwnych polarnościach kołowych, zespół definiuje „pseudospin”, który ewoluuje w kontrolowanym rytmie. Gdy oba kolory są ustawione w prostym stosunku, pole bije z ustalonym okresem, tworząc łańcuch hopfionów, które powtarzają się co cykl.
Rozpoczynając od tego jednowymiarowego łańcucha, badacze opisują, jak rzeźbić wersje wyższego rzędu, których siłę topologiczną można regulować. W swoim schemacie można dostroić liczbę całkowitą, która liczy, ile razy wewnętrzne pętle się owijają, a nawet odwrócić jej znak, zamieniając dwa długości fal. W symulacjach uzyskane pola wykazują niemal idealną jakość topologiczną, gdy są integrowane przez cały okres.
Poza powtarzaniem wyłącznie w czasie, artykuł nakreśla drogę do prawdziwych trójwymiarowych kryształów hopfionów: dalekiego od pola kryształowego utworzonego przez tablicę małych źródeł światła z dopasowaną fazą i polaryzacją, wszystkie napędzane dwiema bliskimi kolorami. Krata naturalnie dzieli się na podkomórki z przeciwną lokalną topologią, a mimo to zachowuje czysty, zmieniający się wzorzec w całej strukturze. Autorzy przedstawiają praktyczne układy, wykorzystując tablice dipolowe, sprzęgla siatek lub anteny mikrofalowe do zrealizowania układu źródeł.
W przeciwieństwie do wcześniejszych optycznych hopfionów polegających na dyfrakcji wiązki wzdłuż osi propagacji, ten projekt działa w dziedzinie łącznej przestrzeni-czasu w ustalonej płaszczyźnie, gdzie okresowe bicie wykonuje główną pracę. Zespół omawia również momenty, gdy struktury mogą „latać” na pewną odległość, zachowując swoją topologię, oraz gdy dyfrakcja podważa ich integralność.
Dlaczego to ma znaczenie: struktury topologiczne, takie jak skyrmiony, już odmieniły pomysły na gęste, niskobłędne przechowywanie danych i kierowanie sygnałami. Rozszerzenie tego narzędziownika na kryształy hopfionów w świetle może odblokować schematy kodowania o wysokich wymiarach, odporne komunikacje, strategie pułapki atomów oraz nowe interakcje światło-materia. „Narodziny kryształów hopfionów przestrzennoczasowych,” piszą autorzy, otwierają drogę do skondensowanego, niezawodnego przetwarzania informacji topologicznej w obszarach optycznym, terahercowym i mikrofalowym.
