Et nyt koncept for en ensrettet bølgeleder

I det seneste årti, en ny type materiale har tiltrukket sig stigende attraktion:den såkaldte topologiske isolator. Denne klasse af materialer udviser en meget ejendommelig egenskab:de opfører sig som isolatorer i det indre, men indeholder ledende stater ved deres grænser. Da disse stater er "topologisk" beskyttet (se nedenfor), staterne er meget robuste over for ufuldkommenheder, og elektriske strømme kan flyde næsten uden nogen form for dissipation. Dette gør disse materialer ekstremt interessante til opgaven med kvantekommunikation og kvanteberegning, for eksempel.

Nu Dr. Tao Shi (i øjeblikket det kinesiske videnskabsakademi, Beijing) og prof. Ignacio Cirac fra Max Planck Institute of Quantum Optics i Garching, sammen med prof. Jeff Kimble fra California Institute of Technology (Pasadena, USA), har udviklet et detaljeret skema for en eksperimentel opsætning til at realisere en 2-dimensionel topologisk isolator med klassiske optiske netværk ( Proceedings of the National Academy of Sciences , AOP 10. oktober 2017). "I dette netværk, fotontilstande spiller rollen som de elektroniske tilstande i et faststoflag, " forklarer Dr. Tao Shi. "Ved at forberede chirale fotontilstande ved grænsen, vi kan muligvis bygge en envejs elektromagnetisk bølgeleder, hvor lyset kun kan forplante sig i én retning, mens den modsatte retning er forbudt."

Faststofkrystaller er karakteriseret ved deres båndstruktur. I tilfælde af en isolator, det såkaldte valensbånd, hvor alle elektroniske tilstande er optaget, er adskilt fra ledningsbåndet af en stor forbudt zone. Det her, imidlertid, gælder kun for uendelige prøver. I tilfælde af en begrænset krystal eller lag, de elektroniske tilstande ved overfladen eller kanten, henholdsvis, adskiller sig fra dem i interiøret, og nogle gange dukker de op midt i den forbudte zone. Da formen af ​​båndstrukturen er matematisk beskrevet af et bestemt topologisk tal, disse systemer kaldes kort for "topologiske isolatorer".

Kanttilstandenes chiralitet er låst til elektronens spin, og er følgelig beskyttet af tids-reverseringssymmetri:en omvendt retning ville indebære en vending af spin-retningen. For en bestemt klasse af materialer med et "ikke-trivielt" topologisk nummer er dette ikke tilladt. Derfor, staterne er beskyttede og robuste mod ufuldkommenheder eller deformationer, så længe forstyrrelserne er små. I en bestemt klasse af elektroniske 2-dimensionelle topologiske isolatorer kan også den såkaldte quantum spin Hall (QSH) effekt observeres. Intuitivt, denne effekt beskriver det fænomen, at elektroner med forskellige spin udsættes for modsat rettede magnetfelter.

Forskelligt fra tidligere ordninger, forskerne foreslår en opsætning lavet af optiske passive elementer såsom fibre, stråledelere, og bølgeplader, hvorved systemtab i høj grad reduceres. Ved at konstruere netværkets noder med et "dårligt" hulrum, dvs. et hulrum med høj dæmpning, de er i stand til dramatisk at øge det topologiske båndgab til skalaen af ​​det frie spektralområde. Som en konsekvens, kanttilstandene overlever i det større frekvensdomæne med meget længere levetid. Desuden, samspillet mellem topologien og Kerr ikke-lineariteten inducerer generering af klemte kant-tilstande.

"Den optiske analog af en topologisk isolator baner vejen for at bygge envejsbølgelederen, " Dr. Shi påpeger. "Bortset fra det - vores ultimative mål er at realisere den fraktionelle kvante Hall-effekt (FQHE) i dette fotoniske system. Til denne ende, vi er nødt til at inducere stærke foton-foton-interaktioner ved hjælp af atomer. Vi vil også gerne se nogle eksotiske topologiske faser i det fotoniske system, som kan være meget forskellige fra dem, der observeres i konventionelle kondenserede systemer."