I en studie publicerad i Nature Communications har samarbetande fysiker från Singapore och Storbritannien rapporterat en optisk analog till Kármán vortex street (KVS). Denna optiska KVS-puls avslöjar fascinerande paralleller mellan vätsketransport och energiflödet i strukturerat ljus.
Yijie Shen, studiens huvudförfattare från Nanyang Technological University, säger: ”Vi introducerar en typ av ljuspuls vars fältstruktur har en spännande likhet med en von Kármán-virvelgata, ett mönster av virvlande virvlar som observerats inom vätske- och gasdynamik och som är ansvarigt för ”sången” hos hängande telefonlinjer i vinden. Det strukturerade ljuset uppvisar en robust topologisk struktur av skyrmioner i kondensatormateria.
”I skarp kontrast till tidigare arbete med optiska skyrmioniska strålar och pulser begränsas inte den skyrmioniska fältkonfigurationen i icke-diffraherande supertoroidala pulser (NDSTP) av diffraktion och kvarstår vid spridning över godtyckliga avstånd. Vi förväntar oss att NDSTP kommer att inspirera till potentiella tillämpningar som interaktioner mellan ljus och materia, mikroskopi med superupplösning och metrologi. ”
Skyrmioner, sofistikerade topologiska partiklar som ursprungligen föreslogs som en enhetlig modell av nukleonen av Tony Skyrme 1962, beter sig som magnetiska virvlar i nanoskala med spektakulära texturer. Hittills har alla kända optiska skyrmioner i fri rymd som inte fortplantar sig eller bara existerar runt fokus och kollapsar snabbt vid fortplantning.
Eftersom de ljuspulser som föreslås i detta dokument inte sprids under spridningen kan sådana skyrmioniska fältstrukturer ändå kvarstå vid spridningen av KVS-pulsen. Pulsen gör det möjligt att studera utbredningsdynamiken hos elektromagnetiska skyrmioniska fält och kommer att vara av intresse som riktade energikanaler för informationsöverföringsapplikationer.
Analogin mellan KVS i vätskeflöden och pulsen kan dras vidare genom att t.ex. beakta elektronernas rörelse längs virvelgatorna i en transversell magnetisk puls eller pulsens utbredning i olinjära medier
”Vi tror att dessa pulsers singulariteter på djupet under våglängden kan användas inom metrologi och även intressera dem som studerar spektroskopin av toroidala excitationer i materia. Dessutom kan pulserna utnyttjas för långdistansinformationsöverföring som kodas i pulsens topologiska egenskaper, med potentiella tillämpningar inom telekommunikation, fjärranalys och LiDAR”, säger författarna.
KVS, ett klassiskt flödesmönster av virvlande virvlar, är mycket välorganiserat och består vanligtvis av två sekvenser av virvlar, en från vardera sidan av kroppen, med cirkulationer av motsatta tecken, känd för sin estetiska skönhet och enorma kraft.
I museet i Dominikuskyrkan i Bologne i Italien finns en målning som föreställer S:t Kristoffer som bär Jesusbarnet över en flod. Målaren har avbildat sammanflätade virvlar bakom Kristoffers bara fötter. Theodore von Kármán uppgav att hans forskning om virvelgator inspirerades av denna målning. Detta är en fascinerande skärningspunkt mellan vetenskap och humaniora.
År 1940 skadades en hängbro, Tacoma Narrow Bridge, som hade färdigställts på bara fyra månader, på grund av att den felaktigt konstruerade bron genererade virvelgator som ledde till vibrationer och resonans. Denna händelse markerade första gången mänskligheten erkände KVS enorma kraft.
Ytterligare information: Yijie Shen et al, Nondiffracting supertoroidal pulses and optical ”Kármán vortex streets”, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48927-5
