Des scientifiques créent un modèle de skyrmion dans un faisceau lumineux, validant une particule théorique de 60 ans

Des scientifiques de l'Université de Birmingham ont réussi à créer un modèle expérimental d'un type insaisissable de particule fondamentale appelé skyrmion dans un faisceau de lumière. Cette percée offre aux physiciens un système réel démontrant le comportement des skyrmions, proposés 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 de sphères dans l'espace à 4 dimensions pour garantir la nature indivisible d'une particule skyrmion en 3 dimensions. On théorise que les skyrmions 3D de type particulaire nous renseignent sur les origines primitives de l'Univers, ou sur la physique de matériaux exotiques ou d'atomes froids. Cependant, malgré plus de 50 ans d'investigations, les skyrmions 3D ont été très rarement observés dans les expériences. La recherche la plus actuelle sur les skyrmions se concentre sur des analogues 2D, qui montrent un potentiel pour de nouvelles technologies.

Dans une nouvelle étude, la collaboration internationale entre chercheurs des universités 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 des décennies. Bien que nous fassions de bons progrès dans l'étude des skyrmions en 2D, nous vivons dans un monde 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 utilisé à cette fin car nous pouvons contrôler précisément ses propriétés, et l'utiliser comme plateforme pour modéliser nos skyrmions. Avec cette approche, nous pouvons commencer à véritablement comprendre ces objets et réaliser leur potentiel scientifique. »

Création du modèle

Pour créer leur modèle, le Dr Danica Sugic et le professeur Dennis, de l'École de physique et d'astronomie de l'Université, ont reformulé la description standard de la lumière — la polarisation (direction de propagation des ondes lumineuses) et la phase (position de la vibration des ondes lumineuses) — en termes de sphère dans l'espace à 4 dimensions, cruciale pour la vision originale de Skyrme. Cela a ensuite permis de concevoir et d'ingénier le champ de skyrmion dans un faisceau laser lors d'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 », explique le Dr Sugic. « Ils ressemblent à un système complexe d'anneaux imbriqués, l'ensemble formant une structure de type particulaire. Ce qui est particulièrement intéressant, ce sont les propriétés topologiques du skyrmion — ils peuvent être déformés, étirés ou compressés, mais ne se disloquent pas. Cette robustesse est l'une des propriétés que les scientifiques sont les plus intéressés à exploiter. »