Topologi beskytter lysudbredelse i fotonisk krystal

Hollandske forskere ved AMOLF og TU Delft har set lys forplante sig i et specielt materiale uden refleksioner. Materialet, en fotonisk krystal, består af to dele, der hver har et lidt forskelligt mønster af perforeringer. Lys kan forplante sig langs grænsen mellem disse to dele på en særlig måde:Det er "topologisk beskyttet, "og hopper derfor ikke tilbage ved ufuldkommenheder. Selv når grænsen danner et skarpt hjørne, lyset følger det uden problemer.

"For første gang, vi har set disse fascinerende lysbølger bevæge sig i den teknologisk relevante skala for nanofotonik, "siger Ewold Verhagen, gruppeleder hos AMOLF. Resultaterne kommer i 6. marts udgave af Videnskab fremskridt .

Topologiske isolatorer:speciel elektronik

Verhagen og hans samarbejdspartner Kobus Kuipers fra TU Delft blev inspireret af elektroniske materialer, hvor såkaldte topologiske isolatorer danner en ny klasse materialer med bemærkelsesværdig adfærd. Hvor de fleste materialer enten er ledende for elektroner eller ej (hvilket gør dem til en isolator), topologiske isolatorer udviser en underlig form for ledning. "Indersiden af ​​en topologisk isolator tillader ikke elektronudbredelse, men langs kanten, elektroner kan bevæge sig frit, "siger Verhagen." Det er vigtigt, ledningen er 'topologisk beskyttet'; elektronerne påvirkes ikke af uorden eller ufuldkommenheder, der typisk ville afspejle dem. Så ledningen er dybt robust. "

Oversættelse til fotonik

I det sidste årti, forskere har også forsøgt at finde denne adfærd til ledning af lys. "Vi ville virkelig opnå topologisk beskyttelse af lysudbredelse i nanoskalaen og dermed åbne døren for at lede lys på optiske chips uden at det bliver forhindret af spredning ved ufuldkommenheder og skarpe hjørner, ”siger Verhagen.

Til deres eksperimenter, forskerne brugte todimensionale fotoniske krystaller med to lidt forskellige hulmønstre. Den 'kant', der muliggør lysledning, er grænsefladen mellem de to hulmønstre. "Lysledning i kanten er mulig, fordi den matematiske beskrivelse af lys i disse fotoniske krystaller kan beskrives ved specifikke former, eller mere præcist ved topologi, "Siger Kuipers. Topologien i de to forskellige hulmønstre er forskellig, og netop denne egenskab tillader lysledning ved grænsen, ligner elektroner i topologiske isolatorer. Fordi topologien for begge hulmønstre er låst, lysledning kan ikke tilbagekaldes; det er 'topologisk beskyttet'. "

Imaging topologisk lys

Forskerne formåede at forestille lysudbredelse med et mikroskop og så, at det opførte sig som forudsagt. I øvrigt, de var vidne til topologien, eller matematisk beskrivelse, i det observerede lys. Kuipers siger, "For disse lysbølger roterer lysets polarisering i en bestemt retning, analogt med elektronernes spin i topologiske isolatorer. Lysets roterende retning bestemmer i hvilken retning dette lys formerer sig. Fordi polarisering ikke let kan ændre sig, lysbølgen kan endda flyde rundt om skarpe hjørner uden at reflektere eller blive spredt, som det ville ske i en almindelig bølgeleder.

Teknologisk relevans

Forskerne er de første til direkte at observere udbredelsen af ​​topologisk beskyttet lys på den teknologisk relevante skala af nanofotoniske chips. Ved bevidst at bruge siliciumchips og lys med en lignende bølgelængde som brugt i telekommunikation, Verhagen forventer at øge ansøgningsmulighederne.

"Vi skal nu undersøge, om der er nogen praktiske eller fundamentale grænser for topologisk beskyttelse, og hvilke funktionaliteter på en optisk chip vi kan forbedre med disse principper. Den første ting, vi tænker på, er at lave de integrerede lyskilder på en fotonisk chip mere pålidelig. Dette er vigtigt i betragtning af energieffektiv databehandling eller 'grøn IKT'. "

Også, den topologiske beskyttelse af lys kan være nyttig til effektivt at overføre små pakker med kvanteinformation.