Художественное изображение улицы вихревых колец, аналогичной структуре магнитного поля НДСТП, где правые и левые вихревые кольца выделены синим и красным цветом соответственно. Фото: Йицзе Шен, Никитас Папасимакис и Николай Желудев.
В исследовании, опубликованном в Природные коммуникациисотрудничающие физики из Сингапура и Великобритании сообщили об оптическом аналоге вихревой улицы Кармана (KVS). Этот оптический импульс KVS демонстрирует удивительные параллели между переносом жидкости и потоком энергии структурированного света.
Ицзе Шен, ведущий автор исследования из Наньянского технологического университета, говорит: «Мы представляем тип светового импульса, структура поля которого имеет интригующее сходство с вихревой дорожкой фон Кармана, структурой закрученных вихрей, наблюдаемой в динамике жидкости и газа, которая отвечает за «пение» подвешенных телефонных линий на ветру Структурированный свет демонстрирует устойчивую топологическую структуру скирмионов в конденсаторной материи.
«В отличие от более ранних работ по оптическим скирмионным пучкам и импульсам, конфигурация скирмионного поля в недифрагирующих супертороидальных импульсах (NDSTP) не ограничивается дифракцией и сохраняется при распространении на произвольные расстояния. Мы ожидаем, что NDSTP вдохновит на потенциальные применения, такие как светотехника. взаимодействия материи, микроскопия сверхвысокого разрешения и метрология».
Скирмионы, сложные топологические частицы, первоначально предложенные Тони Скирмом в качестве единой модели нуклона в 1962 году, ведут себя как наноразмерные магнитные вихри с впечатляющими текстурами. На сегодняшний день все известные оптические скирмионы в свободном пространстве не распространяются или существуют только вокруг фокуса и быстро разрушаются при распространении.
Тем не менее, поскольку предлагаемые в данной работе световые импульсы не распространяются при распространении, такие структуры скирмионных полей могут сохраняться при распространении импульса КВС. Импульс позволяет изучать динамику распространения электромагнитных скирмионных полей и будет представлять интерес в качестве направленных энергетических каналов для приложений передачи информации.
Аналогию между КВС в потоках жидкости и импульсом можно провести и дальше, рассмотрев, например, движение электронов по вихревым дорожкам поперечных магнитных импульсов или распространение импульсов в нелинейных средах.
«Мы считаем, что глубоко субволновые особенности этих импульсов могут быть применены в метрологии, а также могут заинтересовать тех, кто изучает спектроскопию тороидальных возбуждений в материи. Кроме того, импульсы могут быть использованы для передачи информации на большие расстояния, закодированной в топологических особенностях импульсы с потенциальным применением в телекоммуникациях, дистанционном зондировании и LiDAR», — говорят авторы.
КВС, классическая модель потока закрученных вихрей, высокоорганизована и обычно состоит из двух последовательностей вихрей, по одному с каждой стороны тела, с циркуляцией противоположных знаков, известных своей эстетической красотой и огромной силой.
В музее церкви Святого Доминика в Болонье, Италия, находится картина, изображающая Святого Христофора, несущего младенца Иисуса через реку. Художник изобразил переплетающиеся вихри за босыми ногами Кристофера. Теодор фон Карман заявил, что его исследование вихревых улиц было вдохновлено этой картиной. Это представляет собой захватывающее пересечение естественных и гуманитарных наук.
В 1940 году подвесной мост под названием Tacoma Narrow Bridge, построенный всего за четыре месяца, получил повреждения из-за образования вихревых улиц, вызванных его неправильной конструкцией, что привело к вибрациям и резонансу. Это событие стало первым случаем, когда человечество осознало огромную силу КВС.
Больше информации:
Ицзе Шен и др., Недифрагирующие супертороидальные импульсы и оптические «вихревые улицы Кармана», Природные коммуникации (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48927-5
Предоставлено Китайской академией наук
Цитирование: Физики сообщают об оптическом аналоге вихревой улицы Кармана (2024 г., 13 июня), получено 14 июня 2024 г. с https://phys.org/news/2024-06-physical-optical-analog-krmn-vortex.html.
Этот документ защищен авторским правом. За исключением любых добросовестных сделок в целях частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержимое предоставлено исключительно в информационных целях.
