Nye eksotiske fænomener set i fotoniske krystaller

Topologiske virkninger, såsom dem, der findes i krystaller, hvis overflader leder elektricitet, mens deres masse ikke gør det, har været et spændende emne inden for fysikforskning i de seneste år og var genstand for Nobelprisen i fysik i 2016. Nu, et team af forskere på MIT og andre steder har fundet nye topologiske fænomener i en anden klasse af systemer - åbne systemer, hvor energi eller materiale kan komme ind eller udsendes, i modsætning til lukkede systemer uden sådan udveksling med ydersiden.

Dette kunne åbne nogle nye områder inden for grundlæggende fysikforskning, holdet siger, og kan i sidste ende føre til nye former for lasere og andre teknologier.

Resultaterne rapporteres i denne uge i journalen Videnskab , i et papir af den nyuddannede MIT -kandidat Hengyun "Harry" Zhou, MIT-gæsteforsker Chao Peng (professor ved Peking University), MIT -kandidatstuderende Yoseob Yoon, nylige MIT-kandidater Bo Zhen og Chia Wei Hsu, MIT -professor Marin Soljačić, Francis Wright Davis professor i fysik John Joannopoulos, Haslam og Dewey professor i kemi Keith Nelson, og Lawrence C. og Sarah W. Biedenharn Karriereudviklingsassistent Professor Liang Fu.

I de fleste undersøgelser inden for topologiske fysiske effekter, Soljačić siger, såkaldte "åbne" systemer-i fysiske termer, disse er kendt som ikke-hermitiske systemer-blev ikke undersøgt meget i eksperimentelt arbejde. De kompleksiteter, der er involveret i måling eller analyse af fænomener, hvor energi eller stof kan tilføjes eller tabes gennem stråling, gør disse systemer generelt vanskeligere at studere og analysere på en kontrolleret måde.

Men i dette arbejde, teamet brugte en metode, der gjorde disse åbne systemer tilgængelige, og "vi fandt interessante topologiske egenskaber i disse ikke-hermitiske systemer, " siger Zhou. Især de fandt to specifikke slags effekter, der er karakteristiske topologiske signaturer af ikke-hermitiske systemer. En af disse er en slags bandfunktion, de omtaler som en bulk Fermi -bue, og den anden er en usædvanlig slags skiftende polarisering, eller orientering af lysbølger, udsendes af den fotoniske krystal, der blev brugt til undersøgelsen.

Fotoniske krystaller er materialer, hvori der laves milliarder af meget præcist formede og orienterede små huller, får lys til at interagere på usædvanlige måder med materialet. Sådanne krystaller er aktivt blevet undersøgt for de eksotiske interaktioner, de fremkalder mellem lys og stof, som rummer potentialet for nye former for lysbaserede computersystemer eller lysemitterende enheder. Men mens meget af denne forskning er blevet udført ved hjælp af lukkede, Hermitiske systemer, de fleste af de potentielle virkelige applikationer involverer åbne systemer, så de nye observationer fra dette team kunne åbne op for helt nye forskningsområder, siger forskerne.

Fermi buer, et af de unikke fænomener teamet fandt, trodser den almindelige intuition om, at energikonturer nødvendigvis er lukkede kurver. De er blevet observeret før i lukkede systemer, men i disse systemer dannes de altid på de todimensionale overflader af et tredimensionelt system. I det nye værk, for første gang, forskerne fandt en Fermi -bue, der findes i hovedparten af ​​et system. Denne bulk Fermi -bue forbinder to punkter i emissionsretningerne, der er kendt som ekstraordinære punkter - en anden egenskab ved åbne topologiske systemer.

Det andet fænomen, de observerede, består af et lysfelt, hvor polarisationen ændres i henhold til emissionsretningen, gradvist danner et halvt twist, når man følger retningen langs en sløjfe og vender tilbage til udgangspunktet. "Når du går rundt om denne krystal, polariseringen af ​​lyset vender faktisk, "Siger Zhou.

Denne halv-twist er analog med en Möbius-strimmel, forklarer han, hvor en papirstrimmel snoet en halv omgang, før den sluttes til den anden ende, skabe et band, der kun har én side. Dette Möbius-lignende twist i lyspolarisering, Zhen siger, kunne i teorien føre til nye måder at øge mængden af ​​data, der kunne sendes via fiberoptiske links.

Det nye arbejde er "for det meste af videnskabelig interesse, snarere end teknologisk, " siger Soljačić. Zhen tilføjer, at "nu har vi denne meget interessante teknik til at undersøge egenskaberne af ikke-ermitiske systemer." Men der er også en mulighed for, at arbejdet i sidste ende kan føre til nye enheder, herunder nye slags lasere eller lysemitterende enheder, de siger.

De nye fund blev muliggjort af tidligere forskning af mange af de samme teammedlemmer, hvor de fandt en måde at bruge lys spredt fra en fotonisk krystal til at producere direkte billeder, der afslører materialets energikonturer, i stedet for at skulle beregne disse konturer indirekte.

"Vi havde en anelse" om, at sådan en halv-twist-adfærd var mulig og kunne være "ganske interessant, " Soljačić siger, men at finde det krævede "en hel del søgning for at finde ud af, hvordan får vi det til at ske? "

"Det måske mest geniale aspekt af dette værk er, at forfatterne bruger det faktum, at deres system nødvendigvis må miste fotoner, som normalt er en hindring og irritation, at få adgang til ny topologisk fysik, "siger Mikael Rechtsman, en assisterende professor i fysik ved Pennsylvania State University, som ikke var involveret i dette arbejde. "Uden tabet ... ville dette have krævet meget komplekse 3D-fremstillingsmetoder, som sandsynligvis ikke ville have været mulige." Med andre ord, han siger, den teknik, de udviklede "gav dem adgang til 2-D fysik, der konventionelt ville have været opfattet som umulig."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.