Хопфионы — трехмерные топологические текстуры, внутренние спиновые паттерны которых сплетаются в замкнутые, взаимосвязанные петли. Ученые и прежде наблюдали их в магнитных и световых полях, но создавали преимущественно как изолированные объекты. Авторы нового исследования показали, как собрать топфионы в упорядоченные, периодические структуры, напоминающие кристаллические решетки. Только в данном случае закономерность повторяется как во времени, так и в пространстве, пишет EurekAlert.

Ключевой элемент кристалла — двухцветное, или бихроматическое световое поле, электрический вектор которого отслеживает изменение состояния поляризации во времени. Тщательно накладывая лучи с различными пространственными модами и противоположными круговыми поляризациями, можно определить «псевдоспин», который развивается в управляемом ритме. Когда два цвета находятся по отношению друг к другу в простом соотношении, поле пульсирует с фиксированным периодом, создавая цепочку хопфионов, повторяющихся в каждом цикле.

«Рождение пространственно-временных хопфионных кристаллов, — пишут авторы, — открывает путь к конденсированной, надежной топологической обработке информации в оптическом, терагерцовом и микроволновом диапазонах».

Отталкиваясь от этой одномерной цепочки, исследователи описывают методику создания версий более высокого порядка, топологическая сила которых может быть увеличена или уменьшена. Она позволяет настроить целое число, которое вычисляет количество оборотов внутренних петель, и даже изменить его знак, поменяв местами две длины волн. При моделировании полученные поля демонстрируют почти идеальное топологическое качество при интегрировании за полный период.

Помимо повторения во времени, в статье описывается путь к истинным трехмерным хопфионным кристаллам: решетке дальнего поля, образованной массивом крошечных излучателей с индивидуально подобранной фазой и поляризацией, каждый из которых возбуждается двумя близкими цветами. Решетка естественным образом делится на подъячейки с противоположной локальной топологией, сохраняя при этом чистый, чередующийся рисунок по всей структуре.

Топологические текстуры — например, скирмионы, — уже изменили представления ученых о плотном хранении данных и маршрутизации сигналов. Распространение этого инструментария на хопфионные кристаллы может открыть доступ к новым схемам кодирования, устойчивой связи, методам захвата атомов и новым взаимодействиям света с материей.

Команда ученых из Австрии, Германии и Швейцарии создала первый образец топологического материала — «бозонной цепочки Китаева» — сквозь который звуковые волны движутся весьма необычным образом. Разработка может служить усилителем механических колебаний, применение которому найдется в производстве датчиков и устройств обработки информации.