Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Các hopfion quang học vô hướng
Tóm tắt
Hopfion là các trạng thái topo học ba chiều (3D) được phát hiện trong lý thuyết trường, từ tính và thủy động lực học, giống như các đối tượng dạng hạt trong không gian vật lý. Hopfion thừa hưởng các đặc điểm topo học của cấu trúc Hopf, một phép ánh xạ đồng hình từ hình cầu đơn vị trong không gian 4D đến hình cầu đơn vị trong không gian 3D. Ở đây, chúng tôi thiết kế và chứng minh các hopfion quang học vô hướng động ở dạng xoáy toroidal và được biểu diễn như một nghiệm xấp xỉ của phương trình Maxwell. Các đường cùng pha tương ứng với các vòng rời rạc và liên kết nhau tạo thành các torus hoàn chỉnh trong không gian 3D. Đặc invari Hopf, tích của hai số quấn, được xác định bởi điện tích topo của các xoáy không gian-thời gian poloidal và các xoáy không gian toroidal trong tọa độ toroidal. Hopfion quang học cung cấp một môi trường thử nghiệm quang học để nghiên cứu các trạng thái topo học và có thể được sử dụng như các vật mang thông tin đa chiều.
Từ khóa
#hopfion #quang học vô hướng #trạng thái topo học #phương trình MaxwellTài liệu tham khảo
W. Thomson, On vortex atoms. Phil. Mag. 34, 15–24 (1867)
N. Manton, P. Sutcliffe, Topological Solitons (Cambridge Univ Press, Cambridge, 2004)
L.H. Kauffman, Knots and Physics (World Scientific Publishing, Singapore, 2001)
H. Hopf, Über die Abbildungen der dreidimensionalen Sph’dre aufdie Kugelfidche. Math. Ann. 104, 637–665 (1931)
J.S.B. Tai, I.I. Smalyukh, Static Hopf solitons and knotted emergent fields in solid-state noncentrosymmetric magnetic nanostructures. Phys. Rev. Lett. 121, 187201 (2018)
P.J. Ackerman, I.I. Smalyukh, Diversity of knot solitons in liquid crystals manifested by linking of preimages in torons and hopfions. Phys. Rev. X 7, 011006 (2017)
S. Castillo-Sepúlveda, R. Cacilhas, V.L. Carvalho-Santos, R.M. Corona, D. Altbir, Magnetic hopfions in toroidal nanostructures driven by an Oersted magnetic field. Phys. Rev. B 104, 184406 (2021)
V.E.E. Korepin, L.D. Faddeev, Quantization of solitons. Theor. Math. Phys. 25, 1039–1049 (1975)
G.E. Volovik, V.P. Mineev, Particle-like solitons in superfluid 3He phases. Zh Eksp. Teor Fiz. 73, 767–773 (1977)
L. Faddeev, A.J. Niemi, Stable knot-like structures in classical field theory. Nature 387, 58–61 (1997)
A.F. Ranada, A topological theory of the electromagnetic field. Lett. Math. Phys. 18, 97–106 (1989)
W.T. Irvine, Linked and knotted beams of light, conservation of helicity and the flow of null electromagnetic fields. J. Phys. A Math. Theor. 43, 385203 (2010)
W. Irvine, D. Bouwmeester, Linked and knotted beams of light. Nat. Phys. 4, 716–720 (2008)
H. Kedia, I. Bialynicki-Birula, D. Peralta-Salas, W.T. Irvine, Tying knots in light fields. Phys. Rev. Lett. 111, 150404 (2013)
P.J. Ackerman, I.I. Smalyukh, Static three-dimensional topological solitons in fluid chiral ferromagnets and colloids. Nat. Mater. 16, 426–432 (2017)
X.S. Wang, A. Qaiumzadeh, A. Brataas, Current-driven dynamics of magnetic hopfions. Phys. Rev. Lett. 123, 147203 (2019)
N. Kent et al., Creation and observation of Hopfions in magnetic multilayer systems. Nat. Commun. 12, 1–7 (2021)
Y. Liu, W. Hou, X. Han, J. Zang, Three-dimensional dynamics of a magnetic hopfion driven by spin transfer torque. Phys. Rev. Lett. 124, 127204 (2020)
I. Luk’Yanchuk, Y. Tikhonov, A. Razumnaya, V.M. Vinokur, Hopfions emerge in ferroelectrics. Nat. Commun. 11, 1–7 (2020)
D. Kleckner, W. Irvine, Creation and dynamics of knotted vortices. Nat. Phys. 9, 253–258 (2013)
I.I. Smalyukh, Y. Lansac, N.A. Clark, R.P. Trivedi, Three-dimensional structure and multistable optical switching of triple-twisted particle-like excitations in anisotropic fluids. Nat. Mater. 9, 139–145 (2010)
U. Tkalec, M. Ravnik, S. Čopar, S. Žumer, I. Muševič, Reconfigurable knots and links in chiral nematic colloids. Science 333, 62–65 (2011)
H.R. Sohn et al., Dynamics of topological solitons, knotted streamlines, and transport of cargo in liquid crystals. Phys. Rev. E 97, 052701 (2018)
Y.V. Kartashov, B.A. Malomed, Y. Shnir, L. Torner, Twisted toroidal vortex solitons in inhomogeneous media with repulsive nonlinearity. Phys. Rev. Lett. 113, 264101 (2014)
Y.M. Bidasyuk et al., Stable Hopf solitons in rotating Bose-Einstein condensates. Phys. Rev. A 92, 053603 (2015)
S. Tsesses, E. Ostrovsky, K. Cohen, B. Gjonaj, N.H. Lindner, G. Bartal, Optical skyrmion lattice in evanescent electromagnetic fields. Science 361(6406), 993–996 (2018)
L. Du, A. Yang, A.V. Zayats, X. Yuan, Deep-subwavelength features of photonic skyrmions in a confined electromagnetic field with orbital angular momentum. Nat. Phys. 15, 650–654 (2019)
Z.L. Deng, T. Shi, A. Krasnok, X. Li, A. Alù, Observation of localized magnetic plasmon skyrmions. Nat. Commun. 13, 1–7 (2022)
Y. Shen, Y. Hou, N. Papasimakis, N. Zheludev, Supertoroidal light pulses as electromagnetic skyrmions propagating in free space. Nat. Commun. 12, 1–9 (2021)
Y. Shen, E.C. Martínez, C. Rosales-Guzmán, Generation of optical skyrmions with tunable topological textures. ACS Photon. 9, 296–303 (2022)
D. Sugic et al., Particle-like topologies in light. Nat. Commun. 12, 1–10 (2021)
Y. Shen et al., Topological transformation and free-space transport of photonic hopfions. https://arxiv.org/abs/2207.05074
M.R. Dennis, R.P. King, B. Jack, K. O’holleran, M.J. Padgett, Isolated optical vortex knots. Nat. Phys. 6, 118–121 (2010)
L.J. Kong et al., High capacity topological coding based on nested vortex knots and links. Nat. Commun. 13, 1–8 (2022)
H. Larocque et al., Reconstructing the topology of optical polarization knots. Nat. Phys. 14, 1079–1082 (2018)
H. Larocque et al., Optical framed knots as information carriers. Nat. Commun. 11, 1–8 (2020)
J.A. Rodrigo, T. Alieva, Freestyle 3D laser traps: tools for studying light-driven particle dynamics and beyond. Optica 2, 812–815 (2015)
J.A. Rodrigo, T. Alieva, E. Abramochkin, I. Castro (2013). Shaping of light beams along curves in three dimensions. Opt. Express 21, 20544–20555 (2013)
M.S. Mills et al., Localized waves with spherical harmonic symmetries. Phys. Rev. A 86, 063811 (2012)
O.V. Borovkova, Y.V. Kartashov, V.E. Lobanov, V.A. Vysloukh, L. Torner, General quasi-nonspreading linear three-dimensional wave packets. Opt. Lett. 36, 2176–2178 (2011)
C. Wan, Q. Cao, J. Chen, A. Chong, Q. Zhan, Toroidal vortices of light. Nat. Photonics 16, 519–522 (2022)
Q. Cao et al., Non-spreading Bessel spatiotemporal optical vortices. Sci. Bull. 67, 133–140 (2022)
W. Chen et al., Time diffraction-free transverse orbital angular momentum beams. Nat. Commun. 13, 1–9 (2022)