Syntetiske dimensioner muliggør en ny måde at konstruere topologiske isolatorer af højere orden

Topologiske isolatorer har været et spændende forskningsfelt med fundamental interesse såvel som praktiske anvendelser som robust transport af elektroner og lys, og topologisk kvanteberegning. Kendetegnende for sådanne konventionelle topologiske isolatorer er tilstedeværelsen af ​​ledende grænsetilstande, der har en dimension lavere end det isolerende bulksystem, der er vært for dem-for eksempel en endimensionel kanttilstand ved grænsen til et todimensionalt system, eller en todimensionel overfladetilstand ved grænsen af ​​et tredimensionelt system. I 2017, videnskabsmænd generaliserede dette koncept til at forudsige en ny fase af stof kaldet højere-ordens topologiske isolatorer (HOTI'er), som understøtter 'hjørnetilstande' - f.eks. en nuldimensionel tilstand i et todimensionalt system. Siden da, der har været flere eksperimentelle demonstrationer af denne nye HOTI-fase, hvoraf de fleste involverer komplicerede geometrier. I øvrigt, disse tidligere systemer er faste - dvs. man kan ikke dynamisk skifte eller justere deres topologiske adfærd af højere orden, når de først er fremstillet.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Shanhui Fan fra Stanford University, USA, og kolleger har foreslået en måde at realisere en sådan højere-ordens topologi og hjørnetilstande ved hjælp af et spirende koncept kaldet 'syntetiske dimensioner, ' i enklere strukturer og på en dynamisk afstembar måde. Som regel, partikler som fotoner og elektroner antages at bevæge sig langs de tre retninger - x, y og z, eller længde, bredde og dybde. Hvad hvis man kunne forestille sig fotonernes bevægelse ud over disse tre 'rigtige' retninger? Holdet kalder disse ekstra bevægelsesretninger 'syntetiske dimensioner'.

For at gøre dette konceptuelle spring fra de tre virkelige dimensioner til syntetiske dimensioner, de udnyttede interne egenskaber, der er iboende for alle fotoner - frekvensen eller farven af ​​lys, som bestemmer hvor meget energi en foton bærer. Tidligere arbejde fra Stanford-teamet og andre grupper har demonstreret konventionelle (førsteordens) topologiske faser ved hjælp af dette koncept af syntetiske dimensioner, herunder spændende fysiske fænomener såsom quantum Hall -effekten. Imidlertid, højere ordens topologi var indtil nu forblevet uden for rækkevidde af syntetiske dimensioner, selvom den højdimensionelle karakter af HOTI'er er meget velegnet til ideen om syntetiske dimensioner.

For at konstruere den højere ordens topologiske isolator, forskerne foreslår at bruge et sæt ringresonatorer, som er koblet til hinanden i et specifikt arrangement. Hver ringresonator er i det væsentlige en tynd ledning af et gennemsigtigt materiale, der er sløjfet på sig selv, sådan at en foton kan gå rundt i løkken mange gange. Et par af to identiske ringresonatorer danner sammen et 'fotonisk molekyle, 'ligesom to brintatomer danner et diatomisk molekyle. Ved at arrangere flere sådanne fotoniske molekyler langs en linje, en anden-ordens topologisk isolator for fotoner kan dannes. Ligesom i virkelige dimensioner kan man kontrollere, om en foton bevæger sig til højre eller venstre (f.eks. i x-retningen), ringresonatoren kan i syntetiske dimensioner kontrollere, om en foton bevæger sig op eller ned i frekvens. En sådan bevægelse i frekvens opnås med en anden fotonisk komponent kaldet en modulator - en enhed, der kan ændre materialets brydningsindeks ved høje hastigheder, gør dem essentielle for nutidens optiske telekommunikationsnetværk.

Næste, holdet forudsiger, hvordan kendetegnende for topologi af højere orden - hjørnetilstandene - kan ses i dette system ved at sende specifikke frekvenser af laserlys ind i sættet af fotoniske molekyler. For disse hjørnetilstande, lyset er begrænset til hjørnet af den todimensionelle struktur bestående af en reel dimension og en syntetisk frekvensdimension, og der er næsten intet lys i resten af ​​strukturen.

"En stor fordel ved syntetiske dimensioner er fleksibiliteten, hvormed forskellige knapper kan styres til at indstille systemparametre. Ved at styre styrken og timingen af ​​det elektroniske signal, der påføres modulatorerne i de fotoniske molekyler, vi viste, hvordan disse hjørnetilstande kunne slås til og fra. Med andre ord, du kan skifte systemet fra at have topologi af højere orden til at have ingen topologi, dynamisk. Denne evne er uovertruffen i typiske elektroniske eller fotoniske systemer, "siger forfatterne.

Med syntetiske dimensioner, man kan tænke på at bygge meget højdimensionelle topologiske isolatorer, som er svære at bygge eller ligefrem forestille sig i det virkelige rum, fordi vi lever i en tredimensionel verden. Som et eksempel, holdet konstruerer en fjerde-ordens topologisk isolator i et firedimensionalt system, hvilket ikke er blevet forudsagt før, da det er uden for rækkevidden af ​​det tredimensionelle virkelige rum.

"Vores opskrifter beskriver, hvordan man bruger syntetiske dimensioner til at implementere meget komplicerede højdimensionelle fænomener, inklusive ekstremt højordens topologiske isolatorer og andre eksotiske faser af lys og stof, i meget enklere systemer, og styrer dynamisk deres egenskaber næsten efter behag. Eksperimentelle realiseringer af dette koncept er inden for rækkevidde af den nuværende avancerede fotoniske teknologi, " tilføjer forskerne.