Ring resonator hjørne lys

Forskere ved Joint Quantum Institute (JQI) har skabt den første siliciumchip, der pålideligt kan begrænse lyset til dets fire hjørner. Effekten, som opstår fra forstyrrende optiske veje, ændres ikke af små defekter under fremstillingen og kan i sidste ende muliggøre skabelsen af ​​robuste kilder til kvantelys.

Denne robusthed skyldes topologisk fysik, som beskriver egenskaberne ved materialer, der er ufølsomme over for små ændringer i geometri. Lysets sving, som blev rapporteret 17. juni i Naturfotonik , er en erkendelse af en ny topologisk effekt, først forudsagt i 2017.

I særdeleshed, det nye værk er en demonstration af quadrupol topologisk fysik. En quadrupol er et arrangement af fire poler - dræn og kilder til kraftfelter såsom elektriske ladninger eller polerne på en magnet. Du kan visualisere en elektrisk quadrupol ved at forestille dig ladninger på hvert hjørne af en firkant, som skifter positivt-negativt-positivt-negativt, mens du går langs omkredsen.

Det faktum, at svingningen opstår fra quadrupolfysik i stedet for dipolernes fysik - dvs. arrangementer af kun to poler - betyder, at det er en topologisk effekt af højere orden.

Selvom kurveeffekten er blevet observeret i akustiske og mikrobølgesystemer før, det nye værk er første gang, det er blevet observeret i et optisk system, siger JQI Fellow Mohammad Hafezi, avisens seniorforfatter. "Vi har udviklet integrerede silicium fotoniske systemer for at realisere ideer afledt af topologi i et fysisk system, ", siger Hafezi. "Det faktum, at vi bruger komponenter, der er kompatible med den nuværende teknologi, betyder, at hvis disse systemer er robuste, de kunne muligvis omsættes til øjeblikkelige ansøgninger."

I det nye værk, laserlys sprøjtes ind i et gitter af resonatorer - rillede sløjfer i siliciumet, der begrænser lyset til ringe. Ved at placere resonatorerne i nøje afmålte afstande, det er muligt at justere interaktionen mellem naboresonatorer og ændre den vej, som lyset tager gennem nettet.

Den kumulative effekt er, at lyset i midten af ​​chippen forstyrrer sig selv, hvilket får det meste af lyset, der sprøjtes ind i chippen, til at bruge sin tid i de fire hjørner.

Lys har ikke en elektrisk ladning, men tilstedeværelsen eller fraværet af lys i en given resonator giver en slags polær adfærd. På denne måde mønstret af resonatorer på chippen svarer til en samling af interagerende quadrupoler - præcis de betingelser, der kræves af den første forudsigelse af højere-ordens topologiske tilstande af stof.

For at teste deres fabrikerede mønster, Hafezi og hans kolleger sprøjtede lys ind i hvert hjørne af chippen og tog derefter et billede af chippen med et mikroskop. I det samlede lys, de så fire lyse tinder, en i hvert hjørne af chippen.

For at vise, at lyset i hjørner blev fanget af topologi, og ikke kun et resultat af, hvor de injicerede laserne, de testede en chip med de to nederste rækker af resonatorer forskudt. Dette ændrede deres interaktioner med resonatorerne ovenfor, og, i det mindste teoretisk, ændret, hvor de lyse pletter skal vises. De indsprøjtede igen lyset i hjørnerne, og denne gang – præcis som teorien forudsagde – viste de nederste to lyspunkter sig over rækkerne af forskudte resonatorer og ikke ved de fysiske hjørner.

På trods af topologiens beskyttelse mod små ændringer i resonatorplacering, et sekund, mere destruktiv fabrikationsfejl forbliver i disse chips. Da hver resonator ikke er helt ens, de fire lyspunkter i hjørnerne skinner alle med lidt forskellige frekvenser. Det betyder at, i øjeblikket, chippen er måske ikke bedre end en enkelt resonator, hvis den bruges som en kilde til fotoner - de kvantepartikler af lys, som mange håber at kunne udnytte som bærere af kvanteinformation i fremtidige enheder og netværk.

"Hvis du har mange kilder, der er tvunget af topologi til at spytte identiske fotoner ud, så kan du forstyrre dem, og det ville være en game-changer, " siger Sunil Mittal, hovedforfatteren af ​​papiret og en postdoc-forsker ved JQI. "Jeg håber, at dette arbejde faktisk ophidser teoretikere til at tænke på måske at lede efter modeller, der er ufølsomme over for denne dvælende lidelse i resonatorfrekvenser."