Forskere annoncerer foton-fonon-gennembrud

Ny forskning udført af et hold fra City College i New York har afsløret en ny måde at kombinere to forskellige stoftilstande på. For en af ​​de første gange, topologiske fotoner – lys – er blevet kombineret med gittervibrationer, også kendt som fononer, at manipulere deres udbredelse på en robust og kontrollerbar måde.

Undersøgelsen anvendte topologisk fotonik, en fremtrædende retning inden for fotonik, der udnytter fundamentale ideer om det matematiske topologi -område om bevarede mængder - topologiske invarianter - der forbliver konstante, når dele af et geometrisk objekt ændres under kontinuerlige deformationer. Et af de enkleste eksempler på sådanne invarianter er antallet af huller, hvilken, for eksempel, gør donut og krus ækvivalent fra et topologisk synspunkt. De topologiske egenskaber giver fotoner helicitet, når fotoner spinder, mens de udbreder sig, fører til unikke og uventede egenskaber, såsom robusthed over for defekter og ensrettet udbredelse langs grænseflader mellem topologisk adskilte materialer. Takket være interaktioner med vibrationer i krystaller, disse spiralformede fotoner kan derefter bruges til at kanalisere infrarødt lys sammen med vibrationer.

Implikationerne af dette arbejde er brede, især at give forskere mulighed for at fremme Raman-spektroskopi, som bruges til at bestemme vibrationstilstande af molekyler. Forskningen lover også vibrationsspektroskopi - også kendt som infrarød spektroskopi - som måler interaktionen af ​​infrarød stråling med stof gennem absorption, udledning, eller refleksion. Dette kan så bruges til at studere og identificere og karakterisere kemiske stoffer.

"Vi koblede spiralformede fotoner med gittervibrationer i hexagonalt bornitrid, skabe en ny hybrid materie kaldet fonon-polaritoner, " sagde Alexander Khanikaev, hovedforfatter og fysiker med tilknytning til CCNY's Grove School of Engineering. "Det er halvt lys og halvt vibrationer. Da infrarødt lys og gittervibrationer er forbundet med varme, vi skabte nye kanaler til udbredelse af lys og varme sammen. Typisk, gittervibrationer er meget svære at kontrollere, og at guide dem rundt om defekter og skarpe hjørner var umuligt før."

Den nye metode kan også implementere retningsbestemt strålingsvarmeoverførsel, en form for energioverførsel, hvorunder varme spredes gennem elektromagnetiske bølger.

"Vi kan skabe kanaler med vilkårlig form for denne form for hybride lys- og stof-excitationer, der kan ledes langs i et todimensionelt materiale, vi har skabt, " tilføjede Dr. Sriram Guddala, postdoktor i professor Khanikaevs gruppe og den første forfatter til manuskriptet. "Denne metode giver os også mulighed for at skifte retning for udbredelse af vibrationer langs disse kanaler, frem eller tilbage, simpelthen ved at skifte polarisationshåndhed af den indfaldende laserstråle. Interessant nok, som fonon-polaritonerne udbreder sig, vibrationerne roterer også sammen med det elektriske felt. Dette er en helt ny måde at styre og rotere gittervibrationer på, hvilket også gør dem spiralformede."

Med titlen "Topologisk phonon-polariton funneling i midinfrarøde metasurfaces, "undersøgelsen fremgår af tidsskriftet Videnskab .