Particules fondamentales modélisées dans un faisceau de lumière

Des scientifiques de l'Université de Birmingham ont réussi à créer un modèle expérimental d'un type insaisissable de particule fondamentale appelée skyrmion dans un faisceau de lumière. Cette percée fournit aux physiciens un système réel démontrant le comportement des skyrmions, proposé pour la première fois il y a 60 ans par un physicien mathématicien de l'Université de Birmingham, le professeur Tony Skyrme.

L'idée de Skyrme utilisait la structure des sphères dans un espace à 4 dimensions pour garantir la nature indivisible d'une particule de skyrmion en 3 dimensions. Les skyrmions ressemblant à des particules 3D sont théorisés pour nous renseigner sur les premières origines de l'Univers, ou sur la physique des matériaux exotiques ou des atomes froids. Cependant, bien qu'ils aient été étudiés pendant plus de 50 ans, les skyrmions 3D ont été très rarement observés dans les expériences. Les recherches les plus récentes sur les skyrmions se concentrent sur les analogues 2D, ce qui est prometteur pour les nouvelles technologies.

Dans une nouvelle étude, la collaboration internationale entre des chercheurs de l'Université de Birmingham, Lancaster, Münster (Allemagne) et RIKEN (Japon) a démontré pour la première fois comment les skyrmions peuvent être mesurés en trois dimensions. Le professeur Mark Dennis, qui a dirigé la recherche, a déclaré :« Les skyrmions intriguent et défient les physiciens depuis de nombreuses décennies. Bien que nous fassions de bons progrès dans l'étude des skyrmions en 2D, nous vivons dans un monde en 3D. Nous avons besoin d'un système capable de modéliser un skyrmion dans tous ses états possibles d'une manière mesurable. Nous avons réalisé qu'un faisceau de lumière pouvait être exploité à cette fin car nous sommes capables de contrôler étroitement ses propriétés, et donc de l'utiliser comme plate-forme pour modéliser nos skyrmions. Avec cette approche, nous pouvons commencer à vraiment comprendre ces objets et réaliser leur potentiel scientifique."

Pour créer leur modèle, le Dr Danica Sugic et le professeur Dennis, de l'École de physique et d'astronomie de l'Université, ont jeté la description standard de la lumière, la polarisation (direction dans laquelle les ondes lumineuses se déplacent) et la phase (la position de la vibration des ondes lumineuses) en termes de sphère dans un espace à 4 dimensions, crucial pour la vision originale de Skyrme. Cela a ensuite permis au champ Skyrmion d'être conçu et transformé en un faisceau de lumière laser dans une expérience dirigée par le professeur Cornelia Denz, de l'Université de Münster. L'équipe a utilisé des mesures de pointe pour déterminer la structure précise du skyrmion.

"Ces objets sont en fait assez complexes, d'un point de vue géométrique", a déclaré le Dr Sugic. "Ils ressemblent à un système complexe d'anneaux imbriqués, l'ensemble formant une structure semblable à des particules. Ce qui est particulièrement intéressant, ce sont les propriétés topologiques du skyrmion - ils peuvent être déformés, étirés ou comprimés, mais ne se sépareront pas. Cette robustesse est l'une des propriétés que les scientifiques s'intéressent le plus à exploiter."