Partículas fundamentales modeladas en haz de luz

Científicos de la Universidad de Birmingham han logrado crear un modelo experimental de un tipo esquivo de partícula fundamental llamada skyrmion en un haz de luz. El avance proporciona a los físicos un sistema real que demuestra el comportamiento de los skyrmions, propuesto por primera vez hace 60 años por un físico matemático de la Universidad de Birmingham, el profesor Tony Skyrme.

La idea de Skyrme utilizó la estructura de esferas en un espacio de 4 dimensiones para garantizar la naturaleza indivisible de una partícula de skyrmion en 3 dimensiones. Se teoriza que los skyrmions 3D similares a partículas nos informan sobre los primeros orígenes del Universo, o sobre la física de materiales exóticos o átomos fríos. Sin embargo, a pesar de haber sido investigado durante más de 50 años, los skyrmions 3D se han visto muy raramente en experimentos. La investigación más actual sobre skyrmions se centra en los análogos 2D, lo que promete nuevas tecnologías.

En un nuevo estudio, la colaboración internacional entre investigadores de la Universidad de Birmingham, Lancaster, Münster (Alemania) y RIKEN (Japón) ha demostrado por primera vez cómo se pueden medir los skyrmions en tres dimensiones. El profesor Mark Dennis, quien dirigió la investigación, dijo:“Los Skyrmions han intrigado y desafiado a los físicos durante muchas décadas. Aunque estamos progresando mucho en la investigación de skyrmions en 2D, vivimos en un mundo en 3D. Necesitamos un sistema que pueda modelar un skyrmion en todos sus estados posibles de una manera que pueda medirse. Nos dimos cuenta de que se podía aprovechar un haz de luz para este propósito porque podemos controlar de cerca sus propiedades y, por lo tanto, usarlo como plataforma para modelar nuestros skyrmions. Con este enfoque, podemos comenzar a comprender verdaderamente estos objetos y darnos cuenta de su potencial científico”.

Para crear su modelo, la Dra. Danica Sugic y el profesor Dennis, en la Facultad de Física y Astronomía de la Universidad, formularon la descripción estándar de la luz, la polarización (dirección en la que viajan las ondas de luz) y la fase (la posición de la vibración de las ondas de luz) en términos de una esfera en un espacio de 4 dimensiones, crucial para la visión original de Skyrme. Esto permitió que el campo Skyrmion se diseñara y transformara en un haz de luz láser en un experimento dirigido por la profesora Cornelia Denz, de la Universidad de Münster. El equipo utilizó medidas de vanguardia para determinar la estructura precisa del skyrmion.

"Estos objetos son en realidad bastante complejos, desde un punto de vista geométrico", dijo el Dr. Sugic. “Se asemejan a un sistema complejo de anillos entrelazados, con el conjunto formando una estructura similar a una partícula. Lo que es particularmente interesante son las propiedades topológicas del skyrmion:se pueden distorsionar, estirar o apretar, pero no se desmoronan. Esta robustez es una de las propiedades que los científicos están más interesados ​​en explotar”.