Forskere opdager nye topologiske faser i en klasse af optiske materialer

Optiske enheder opretter, guide, og detekterer elektromagnetiske bølger og inkluderer lasere, teleskoper, og solceller. De fleste materialer, der bruges i disse enheder, er udfordrende for visse applikationer på grund af et fænomen kendt som optisk gensidighed, en iboende symmetri, der tvinger lys til at rejse tovejs. Et eksempel på en applikationsbaseret udfordring er en kraftfuld laser, hvor bagspredt lys forårsaget af optisk gensidighed kan beskadige instrumentet.

En ny undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation beskriver, hvordan optisk gensidighed kan brydes ved hjælp af indsigt fra topologisk fysik. Fremkaldte topologiske tilstande, tilfører materialet nye egenskaber, kan hjælpe med at oprette "envejs" systemer til lys at rejse, gør det muligt at skabe mere effektive optiske enheder i fremtiden. Forskningen blev ledet af adjunkt Bo Zhen og postdoc Li He i samarbejde med professor Eugene Mele og kandidatstuderende Zachariah Addison og Jicheng Jin, samt professor Steven Johnson fra MIT.

Selvom der er nogle naturligt eksisterende materialer, der kan bryde optisk gensidighed, denne magneto-optiske effekt er ofte meget svag, og materialerne kan kun bruges i statiske systemer. Disse begrænsninger betyder, at materialerne er for omfangsrige til at kunne bruges på små optoelektroniske chips. "Det er en teknisk barriere, der eksisterer, "siger Zhen." Udover denne magneto-optiske effekt, vi spørger, hvilke andre videnskabelige muligheder der kan implementere lignende effekter. "

Zhen og Han studerede LiNbO ₃ , et optisk materiale, der kan laves til tynde film og kan bruges som belægning på optoelektroniske chips og små enheder. Som en klasse af optisk materiale, som fysikere omtaler som ikke -lineært, LiNbO ₃ kan bryde optisk gensidighed, når den placeres i en dynamisk indstilling, såsom at blive rystet i stedet for at stå stille, eller et statisk system.

Ikke -lineære optiske materialer er ret almindelige; de fleste klasseværelset laserpegere har ikke -lineære optiske krystaller, der konverterer usynligt infrarødt lys til synligt grønt lys. Den forhindring, forskerne står over for, er, at der er meget lidt kendt om topologiske faser i ikke -lineære optiske materialer, især når de er i dynamiske indstillinger.

Med forskernes ekspertise inden for topologisk fotonik og i at studere materialer med optoelektroniske applikationer, de udviklede en fysisk teori for at forklare, hvad der sker i ikke -lineære optiske materialer. For at bekræfte teorien, Han kørte simulerede eksperimenter på LiNbO3 fotoniske krystaller og fandt ud af, at topologiske faser kunne induceres, hvis materialet var i et dynamisk system.

Vigtigere, siger forskerne, disse topologiske faser synes ikke at have nogen direkte modparter i elektroniske systemer, hvilket kan føre til unikke funktioner i fremtidige applikationer. "For eksempel, vi kunne potentielt også opnå en envejs forstærker eller dæmper, "siger han.

Zhen siger, at et subtilt aspekt af deres fund er, at de giver en bedre forståelse af energibesparelse i dynamiske systemer, hvilket er mindre ligetil end statiske systemer. For eksempel, når fotoner af lys går gennem et dynamisk system, antallet af fotoner forbliver det samme, men den samlede mængde energi kan ændre sig, når fotoner opfanger eller frigiver energi. At have en bedre forståelse af, hvad der bevares, og hvad der ikke er i dynamiske systemer, var et af højdepunkterne i denne forskning for Zhen og hans team.

Som en af ​​de første artikler, der gav et grundlag for fremtidig undersøgelse af topologiske tilstande i ikke -lineære optiske materialer, dette arbejde kan give vejledning til fremtidigt teoretisk arbejde og samtidig give et udgangspunkt for kommende eksperimenter.

"Det er virkelig begyndelsen på et meget spændende felt, "siger Zhen." Vi fastlagde de underliggende teoretiske rammer og viste, at selvom det statiske system er trivielt, hvis vi ryster det på den rigtige måde, det bliver noget meget interessant. "