Wissenschaftler erstellen Skyrmion-Modell im Lichtstrahl und bestätigen 60 Jahre alte Theorie

Wissenschaftler der Universität Birmingham haben es geschafft, ein experimentelles Modell eines schwer fassbaren fundamentalen Teilchens – eines Skyrmions – in einem Lichtstrahl zu erzeugen. Der Durchbruch liefert Physikern ein reales System, das das Verhalten von Skyrmionen demonstriert, die vor 60 Jahren von dem mathematischen Physiker Professor Tony Skyrme an der Universität Birmingham vorgeschlagen wurden.

Skyrmes Idee nutzte die Struktur von Sphären im 4-dimensionalen Raum, um die unteilbare Natur eines Skyrmion-Teilchens in 3 Dimensionen zu garantieren. 3D-teilchenartige Skyrmionen sollen uns über die frühen Ursprünge des Universums, die Physik exotischer Materialien oder kalter Atome aufklären. Trotz über 50-jähriger Forschung wurden 3D-Skyrmionen in Experimenten nur sehr selten beobachtet. Die aktuelle Forschung konzentriert sich auf 2D-Analoga, die vielversprechend für neue Technologien sind.

In einer neuen Studie hat die internationale Zusammenarbeit zwischen Forschern der Universitäten Birmingham, Lancaster, Münster (Deutschland) und RIKEN (Japan) erstmals demonstriert, wie Skyrmionen in drei Dimensionen 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 all seinen möglichen Zuständen modellieren und messen kann. Wir erkannten, dass ein Lichtstrahl dafür genutzt werden kann, weil wir seine Eigenschaften präzise kontrollieren können und ihn so als Plattform für unsere Skyrmionen-Modellierung verwenden können. Mit diesem Ansatz können wir beginnen, diese Objekte wirklich zu verstehen und ihr wissenschaftliches Potenzial zu realisieren.“

Erstellung des Modells

Um ihr Modell zu erstellen, übertrugen Dr. Danica Sugic und Professor Dennis von der School of Physics and Astronomy der Universität die Standardbeschreibung von Licht – die Polarisation (Richtung, in der sich Lichtwellen ausbreiten) und Phase (die Position der Schwingung der Lichtwellen) – in Terme einer Sphäre im 4-dimensionalen Raum, was entscheidend für Skyrmes ursprüngliche Vision war. Dies ermöglichte es, das Skyrmion-Feld in einen Laserstrahl zu entwerfen und in einem Experiment unter der Leitung von Professor Cornelia Denz an der Universität Münster zu realisieren. Das Team nutzte modernste Messungen, um die präzise Struktur des Skyrmions zu bestimmen.

„Diese Objekte sind aus geometrischer Sicht tatsächlich recht komplex“, sagte Dr. Sugic. „Sie ähneln einem komplexen System ineinandergreifender Ringe, das insgesamt eine teilchenartige Struktur bildet. Besonders interessant sind die topologischen Eigenschaften des Skyrmions – sie können verzerrt, gestreckt oder gequetscht werden, aber nicht auseinanderfallen. Diese Robustheit ist eine der Eigenschaften, die Wissenschaftler am meisten für Anwendungen interessieren.“