Квантовите оптични скирмиони представляват локализирани, подобни на частици възбуждения в материали, които запазват своята структура благодарение на топологични ограничения – свойства, които остават непроменени при плавни деформации. Първоначално въведени във физиката на високите енергии и квантовата теория на полето, скирмионите бързо привличат вниманието и в физиката на кондензираната материя и фотониката, заради потенциала си като надеждни носители на информация за съхранение и манипулиране в бъдещи квантови технологии.

Пробив в нанофотониката: единични фотони със скирмионни текстури

Учени от университета „Сун Ят-сен“ и университета в Тианджин съобщават за първата експериментална реализация на квантови скирмиони с единичен фотон в полупроводникова система с кухинна квантова електродинамика (QED). Изследването, публикувано в Nature Physics, отваря нови възможности за изследване на квантовите взаимодействия между светлина и материя и създаване на иновативни фотонни квантови устройства.

„Нашата работа беше мотивирана от дългогодишното предизвикателство да реализираме топологични фотонни структури – по-специално скирмиони – на квантово ниво“, обяснява съавторът Ying Yu пред Phys.org. „Докато оптичните скирмиони вече са демонстрирани в класическата оптика чрез обемисти устройства, тяхното реализиране с единични фотони върху чип оставеше нерешен проблем. Целта ни беше да запълним тази празнина с помощта на твърдотелна cQED платформа с инженерно спин-орбитално куплиране.“

Как учените създадоха квантови оптични скирмиони

Екипът използва детерминистично куплирана система от микрокухини с квантови точки, за да генерира квантови скирмиони и да изследва техните топологични свойства и устойчивост на пертурбации.

„Проектирахме и изработихме полупроводниково-диелектрична гаусова микрокавита с мощно фотонно спин-орбитално куплиране, която поддържа скирмионни кавитатни режими,“ обяснява Ю. „Тези режими представляват суперпозиции на Лагер-гаусови състояния, носещи орбитален ъглов импулс – ключов за образуването на скирмиони. Чрез вграждане на единична квантова точка InAs в центъра на кухината и прилагане на магнитни полета, свързахме селективно нейната кръгово поляризирана емисия със специфични режими на кухината, генерирайки единични фотони със скирмионни поляризационни текстури.“

За постигането на това екипът съчетава прецизно проектирани микрокавитати, точно позициониране на квантовите точки и измервания на единични фотони с поляризационна разделителна способност.

Научно и технологично значение

„Ние бяхме първите, които експериментално реализираха квантови оптични скирмиони на интегрирана нанофотонна платформа,“ подчертава Ю. „Демонстрирахме тяхното детерминистично генериране и доказахме топологичната им инвариантност при оптични пертурбации.“

Тези резултати могат да ускорят развитието на квантови фотонни системи, хирална квантова оптика, топологично защитени квантови памети и високоизмерни квантови комуникационни протоколи.

Поглед към бъдещето: нови топологични фотонни структури

Следващата стъпка за екипа е реализирането на други скирмионни структури, включително скърмиониуми – композитни топологични образувания с настройваема топология, ценни за спинтроника и квантовите изчислителни устройства.

„Търсим начини да генерираме заплитане между поляризация и скирмиони на един фотон без външни магнитни полета“, казва Ю. „Целим интегриране на тези устройства в мащабируеми фотонни вериги, които могат да доведат до нови архитектури за квантови изчисления. Изследваме и анизотропни и хирални материали за по-фин контрол и разнообразяване на топологичните свойства на фотоните.“

DOI: 10.1038/s41567-025-02973-y

Източник: Phys.org