Forskere realiserer et tredimensionelt topologisk medium til elektromagnetiske bølger

Topologiske isolatorer er eksotiske tilstander af fysik, som fysikere har intensivt studeret i det sidste årti. Deres mest spændende træk er, at de kan skelnes strengt fra alle andre materialer ved hjælp af et matematisk begreb kendt som "topologi". Denne matematiske egenskab giver topologiske isolatorer muligheden for at transportere elektriske signaler uden spredning, via særlige kvantetilstande kaldet "topologiske overfladetilstande."

Imidlertid, topologiske isolatorer behøver ikke kun at blive realiseret med elektroner. Fysikere har også udtænkt fotoniske topologiske isolatorer, syntetiske materialer, der formidler lysbølger med tydelige topologiske egenskaber, tillader lys (frem for elektriske strømme) at strømme via topologiske overfladetilstande. I modsætning til elektroniske topologiske isolatorer, fotoniske topologiske isolatorer kan let betjenes ved stuetemperatur, blandt andre fordele. Som resultat, fotoniske topologiske isolatorer kan have applikationer i fremtidige optiske enheder, såsom højeffektlasere og optiske dioder.

Et team af forskere fra Nanyang Technological University (NTU), Singapore, og Zhejiang University, Kina, har annonceret udviklingen af ​​verdens første tredimensionelle (3-D) fotoniske topologiske isolator. I et papir, der skal udgives i et kommende nummer af Natur , teamet rapporterer, at et specialdesignet 3-D-array af resonatorer kan fungere som en topologisk isolator til mikrobølger. De har observeret utvetydige beviser for de topologiske topologiske overfladetilstande, i form af mikrobølger, der flyder ubesværet langs 2-D-ark indlejret i 3D-volumenet i deres prøve.

"Tidligere forskere var i stand til at lave todimensionale fotoniske topologiske isolatorer. Men på trods af mange teoretiske forslag gennem årene, ingen havde kunnet realisere en 3D-version, "siger lektor Baile Zhang fra NTU, der var med til at føre tilsyn med projektet. Han bemærker, at 3D-topologiske isolatorer har vigtige egenskaber, herunder evnen til at kanalisere topologiske overfladetilstande langs alle mulige rumlige retninger. I et af deres forsøg, forskerne viste, at mikrobølger effektivt kan styres langs en 2-D overflade, der indeholder zigzaglignende folder.

Teamet konstruerede den 3D-fotoniske topologiske isolator ud af en stak tynde plastplader indlejret i metalantenner, der fungerer som små elektromagnetiske resonatorer. Det centrale gennembrud blev skabt, da de indså, hvordan de kunne skræddersy resonatorerne til at interagere med elektromagnetiske bølger på en meget specifik måde, give bølgerne de ønskede topologiske egenskaber.

"Da pladerne er fremstillet ved hjælp af veletableret teknologi til udskrivning af printkort, dette design er billigt og enkelt at implementere, "forklarer professor Hongsheng Chen fra Zhejiang University, en anden medvejleder af projektet. "Til sammenligning, andre forslag, der tidligere er offentliggjort i den videnskabelige litteratur, involverer anvendelse af ikke-standardiserede keramiske eller magnetiske materialer, som er meget vanskelige at arbejde med, hvis du vil lave en rigtig enhed. "

Dr. Yihao Yang, en postdoktor ved NTU, der var hovedforfatter på papiret, sagde, at teamet var i stand til at opbygge en overbevisende videnskabelig case ved at konstruere detaljerede kort over, hvordan elektromagnetiske bølger bevæger sig inden for den fotoniske topologiske isolator. "Ved omhyggeligt at indsætte en elektromagnetisk feltsonde i prøven, vi målte feltfordelingerne i hele prøven. Dette tillod os at rekonstruere de 'spredningsrelationer', der fungerer som de fysiske signaturer af topologiske isolatorer, " han sagde.

Lektor Yidong Chong, et andet medlem af NTU -teamet, observerede, at dette arbejde er den første erkendelse af en syntetisk 3-D topologisk isolator, der ikke er baseret på strømmen af ​​elektrisk strøm. "Dette er et eksempel på fysikens universalitet, "sagde han." Et fænomen, der opstår i en indstilling, ligesom kvante materialer, kan gengives i en anden indstilling, i dette tilfælde et kunstigt medium til elektromagnetiske bølger. Den vigtigste ingrediens er, at de adlyder de samme ligninger og teoretiske begreber. "Han foreslår, at 3D-fotonisk topologisk isolator kan give en interessant ramme for at studere grundlæggende fysik, da de topologiske overfladetilstande styres af de samme ligninger som masseløse 2-D-elektroner, der adlyder Einsteins relativitetsteori.

Den nuværende 3-D fotoniske topologiske isolator er begrænset til elektromagnetiske bølger, ved relativt lave frekvenser. "Hvis vi kan skalere det til optiske frekvenser, det vil sige bølger af synligt lys, der kan være applikationer til oprettelse af optiske computerchips, lasere, og alle mulige interessante optiske enheder, "siger NTU's professor Zhang.