Fundamentale Teilchen, modelliert im Lichtstrahl

Wissenschaftlern der University of Birmingham ist es gelungen, ein experimentelles Modell einer schwer fassbaren Art von Elementarteilchen namens Skyrmion in einem Lichtstrahl zu erstellen. Der Durchbruch bietet Physikern ein reales System, das das Verhalten von Skyrmionen demonstriert, das erstmals vor 60 Jahren von einem mathematischen Physiker der Universität Birmingham, Professor Tony Skyrme, vorgeschlagen wurde.

Skyrmes Idee nutzte die Struktur von Kugeln im 4-dimensionalen Raum, um die Unteilbarkeit eines Skyrmion-Partikels in 3 Dimensionen zu gewährleisten. Es wird angenommen, dass 3D-Partikel-ähnliche Skyrmionen uns etwas über die frühen Ursprünge des Universums oder über die Physik exotischer Materialien oder kalter Atome erzählen. Obwohl sie seit über 50 Jahren untersucht werden, wurden 3D-Skyrmionen in Experimenten nur sehr selten gesehen. Die aktuellste Forschung zu Skyrmionen konzentriert sich auf 2D-Analoga, die vielversprechend für neue Technologien sind.

In einer neuen Studie hat die internationale Zusammenarbeit von Forschern der Universitäten Birmingham, Lancaster, Münster (Deutschland) und RIKEN (Japan) erstmals gezeigt, wie Skyrmionen dreidimensional gemessen werden können. Professor Mark Dennis, der die Forschung leitete, sagte:„Skyrmionen faszinieren und fordern Physiker seit vielen Jahrzehnten heraus. Obwohl wir gute Fortschritte bei der Untersuchung von Skyrmionen in 2D machen, leben wir in einer 3D-Welt. Wir brauchen ein System, das ein Skyrmion in allen möglichen Zuständen messbar modellieren kann. Wir erkannten, dass ein Lichtstrahl für diesen Zweck genutzt werden könnte, da wir in der Lage sind, seine Eigenschaften genau zu kontrollieren, und ihn daher als Plattform zur Modellierung unserer Skyrmionen verwenden. Mit diesem Ansatz können wir beginnen, diese Objekte wirklich zu verstehen und ihr wissenschaftliches Potenzial auszuschöpfen.“

Um ihr Modell zu erstellen, haben Dr. Danica Sugic und Professor Dennis von der Fakultät für Physik und Astronomie der Universität die Standardbeschreibung des Lichts, die Polarisation (Richtung, in der sich die Lichtwellen ausbreiten) und die Phase (die Position der Schwingung der Lichtwellen) gegossen. in Bezug auf eine Kugel im 4-dimensionalen Raum, entscheidend für Skyrmes ursprüngliche Vision. Dies ermöglichte es dann, das Skyrmion-Feld in einem von Professor Cornelia Denz, Universität Münster, geleiteten Experiment zu einem Laserlichtstrahl zu entwerfen und zu konstruieren. Das Team verwendete hochmoderne Messungen, um die genaue Struktur des Skyrmions zu bestimmen.

„Diese Objekte sind aus geometrischer Sicht tatsächlich ziemlich kompliziert“, sagte Dr. Sugic. „Sie ähneln einem komplexen System aus ineinandergreifenden Ringen, wobei das Ganze eine partikelartige Struktur bildet. Besonders interessant sind die topologischen Eigenschaften des Skyrmions – es kann verzerrt, gedehnt oder gestaucht werden, löst sich aber nicht auf. Diese Robustheit ist eine der Eigenschaften, an deren Nutzung Wissenschaftler am meisten interessiert sind.“