Geometri af indviklet fremstillet glas gør lysfælden selv

Laserlys, der rejser gennem udsmykkede mikrofabricerede glas, har vist sig at interagere med sig selv for at danne selvbærende bølgemønstre kaldet solitons. Det indviklede design fremstillet i glasset er en type "fotonisk topologisk isolator, "en enhed, der potentielt kan bruges til at gøre fotoniske teknologier som lasere og medicinsk billeddannelse mere effektive.

Topologiske materialer, som blev tildelt Nobelprisen i 2016, har evnen til at "beskytte" strømmen af ​​bølger gennem dem mod uønsket lidelse og defekter. Indtil nu, vores forståelse af topologisk beskyttelse af lys har for det meste været begrænset til partikler af lys, der virker uafhængigt, men i et nyt papir, der vises 22. maj i tidsskriftet Videnskab , forskere ved Penn State rapporterer, at de har brugt glasset til at formidle interaktion mellem fotoner, direkte observere de grundlæggende bølgemønstre for disse indviklede enheder.

"Folk er måske mere fortrolige med elektronik, men der er en hel parallel verden af ​​'fotonik, 'hvor vi er optaget af lysets egenskaber i stedet for elektroner, "sagde Mikael Rechtsman, Downsbrough Early Career Development Professor i fysik i Penn State, og seniorforfatter af papiret. "Der er utallige anvendelser af fotonik, herunder i solenergi, fiberoptik til telekommunikation, fremstilling ved hjælp af laserskæring, og lidar, som bruges, for eksempel, at hjælpe med at kontrollere autonome køretøjer. Topologisk beskyttelse giver løfte om at gøre fotoniske enheder mere energieffektive, lettere, og mere kompakt. "

Begrebet topologisk beskyttelse kan anvendes elektronisk, fotonisk, atomare og mekaniske systemer. Inden for elektronik, for eksempel, topologisk beskyttelse kan forbedre effektiviteten ved at få elektroner til at flyde pålideligt gennem et materiale uden at spredes. For elektroner kræver denne beskyttelse ekstremt kolde temperaturer, nærmer sig absolut nul, og meget ofte, et stærkt eksternt magnetfelt, men med fotoner, alle eksperimenter kan udføres ved stuetemperatur, og fordi fotoner ikke har en opladning, uden et magnetfelt.

For at udføre deres eksperimenter, forskerne skinner en laser gennem et stykke glas, der har en række ekstremt præcise tunneler skåret igennem, hver med en diameter på omkring en tiendedel af et menneskehår. Tunnelerne, kaldet "bølgeledere, "opfør dig som ledninger, koncentrere lysstrømmen gennem dem. Bølgelederne i glasstykket er arrangeret i et gitter, danner en matrix, men hver bølgelederes vej gennem glasset er ikke lige - den beskrives måske bedre som serpentin, med vendinger designet af forskerne med en geometri, der fører til topologisk beskyttelse af lys.

"Vi var nødt til at bygge fabrikationsfaciliteten i vores laboratorium for præcist at skære de tredimensionelle bølgeledere gennem glasset, en proces kaldet femtosekundlaserskrivning, "sagde Sebabrata Mukherjee, en postdoktor i Penn State og første forfatter til papiret. "Evnen til at skrive tredimensionelle bølgeledere er afgørende for at gøre enheden topologisk, en egenskab, der bekræftes eksperimentelt ved at observere den 'beskyttede' envejs lysstrøm langs kanten af ​​enheden. "

Gennem en proces kaldet "Kerr -effekten, "glassets egenskaber ændres på grund af tilstedeværelsen af ​​det intense laserlys. Denne ændring i glasset formidler en interaktion mellem de mange fotoner, som normalt ikke interagerer, formerer sig gennem arrayet. Da magten blev øget, lyset faldt sammen til en stråle, der ikke spredte sig (dvs. diffrakt), men snarere roteret i spiraler. Spiralrotationen af ​​solitons er en signatur af den specifikke form af bølgelederne designet af forskerne og en indikator for, at enheden er, Ja, topologisk.

"Under normale omstændigheder, fotoner er uvidende om hinanden, "sagde Rechtsman." Du kan krydse to laserstråler, og ingen af ​​dem vil blive ændret af den anden. I vores system, vi var i stand til at få fotoner til at interagere og danne solitoner, fordi laserens intensitet ændrede glassets egenskaber. Fotonerne blev 'bevidste' om hinanden gennem ændringen i deres miljø. "

Solitons er kendt for at være de mest fundamentale bølgeformer i mange systemer, hvor interaktion medieres af det omgivende miljø.

"Teoretisk forståelse og eksperimentel undersøgelse af solitoner i topologiske systemer som vores bølgeleder -arrays vil være en vigtig ingrediens i anvendelsen af ​​topologisk beskyttelse til praktisk brug i fotoniske enheder, især dem, der kræver høj optisk effekt, "sagde Rechtsman.