Cientistas Criam Modelo de Skyrmion em Feixe de Luz, Validando Partícula Teórica de 60 Anos

Cientistas da Universidade de Birmingham conseguiram criar um modelo experimental de um tipo elusivo de partícula fundamental chamada skyrmion em um feixe de luz. O avanço fornece aos físicos um sistema real que demonstra o comportamento dos skyrmions, propostos pela primeira vez há 60 anos por um físico matemático da Universidade de Birmingham, o Professor Tony Skyrme.

A ideia de Skyrme usou a estrutura de esferas no espaço 4-dimensional para garantir a natureza indivisível de uma partícula skyrmion em 3 dimensões. Skyrmions 3D semelhantes a partículas são teorizados para nos contar sobre as origens iniciais do Universo, ou sobre a física de materiais exóticos ou átomos frios. No entanto, apesar de serem investigados há mais de 50 anos, skyrmions 3D foram vistos muito raramente em experimentos. A pesquisa mais atual sobre skyrmions foca em análogos 2D, que mostram promessa para novas tecnologias.

Em um novo estudo, a colaboração internacional entre pesquisadores da Universidade de Birmingham, Lancaster, Münster (Alemanha) e RIKEN (Japão) demonstrou pela primeira vez como skyrmions podem ser medidos em três dimensões. O Professor Mark Dennis, que liderou a pesquisa, disse: “Skyrmions intrigaram e desafiaram físicos por muitas décadas. Embora estejamos fazendo bons progressos investigando skyrmions em 2D, vivemos em um mundo 3D. Precisamos de um sistema que possa modelar um skyrmion em todos os seus estados possíveis de uma forma que possa ser medida. Percebemos que um feixe de luz poderia ser aproveitado para este propósito porque somos capazes de controlar suas propriedades de perto, e assim usá-lo como uma plataforma para modelar nossos skyrmions. Com esta abordagem, podemos começar a realmente entender esses objetos e realizar seu potencial científico.”

Criação do modelo

Para criar seu modelo, a Dra. Danica Sugic e o Professor Dennis, na Escola de Física e Astronomia da Universidade, reformularam a descrição padrão da luz, a polarização (direção na qual as ondas de luz viajam) e a fase (a posição da vibração das ondas de luz) em termos de uma esfera no espaço 4-dimensional, crucial para a visão original de Skyrme. Isso permitiu que o campo Skyrmion fosse projetado e engenhado em um feixe de luz laser em um experimento liderado pela Professora Cornelia Denz, da Universidade de Münster. A equipe usou medições de ponta para determinar a estrutura precisa do skyrmion.

“Esses objetos são na verdade bastante intrincados, do ponto de vista geométrico”, disse a Dra. Sugic. “Eles se assemelham a um complexo sistema de anéis interligados, com o todo formando uma estrutura semelhante a uma partícula. O que é particularmente interessante são as propriedades topológicas do skyrmion – eles podem ser distorcidos, esticados ou comprimidos, mas não se separam. Essa robustez é uma das propriedades que os cientistas mais se interessam em explorar.”