En fotonisk amorf topologisk isolator

Den nuværende forståelse af topologiske isolatorer og deres klassiske bølgeanaloger, såsom fotoniske topologiske isolatorer, er hovedsageligt baseret på topologisk båndteori. I modsætning hertil, Forskere i Kina og Singapore viste eksperimentelt fotoniske topologiske isolatorer baseret på glaslignende amorfe faser, hvor båndstrukturen er dårligt defineret. Vedvarenheden af ​​topologisk beskyttelse viser sig også at være tæt forbundet med glas-til-væske-overgangen. Dette samspil mellem topologi og amorfitet baner vejen for nye klasser af ikke-krystallinske topologiske fotoniske båndgab materialer.

Topologiens paradigmeskiftende begreb har ikke kun revolutioneret fysik af kondenseret stof, men har også åbnet et fundamentalt nyt kapitel i fotonik, mekanik, akustik, og mange andre områder. I fotonik, "fotoniske topologiske isolatorer" (PTI'er), de fotoniske analoger af elektroniske topologiske isolatorer, har muliggjort hidtil usete spændende fotoniske funktionaliteter såsom envejs robust fotonisk transport og topologiske lasere.

Disse topologiske systemer, uanset om det er baseret på kondenseret stof eller fotonik, typisk aflede deres topologiske egenskaber fra båndstrukturer baseret på periodiske gitter. På den anden side, fotoniske amorfe faser uden periodiske atomgitre findes i vid udstrækning i naturen (f.eks. glas, polymerer og geler). Egenskaberne af disse amorfe systemer bestemmes af kortrækkende forbindelse mellem deres atomer/molekyler, snarere end den langsigtede periodicitet.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Peiheng Zhou og professor Longjiang Deng fra University of Electronic Science and Technology i Kina, Professor Yidong Chong og professor Baile Zhang fra Nanyang Technological University har eksperimentelt realiseret amorfe PTI'er, der er ikke-krystallinske varianter af en Chern-nummer-baseret PTI. Deres undersøgelse viser det interessante samspil mellem topologi og kortrækkende orden, især under glasovergangen. Chern-nummer-baserede PTI'er er den første type PTI, der nogensinde er realiseret. Deres arbejde er det første til at studere amorfe PTI'er ved hjælp af denne type fotoniske struktur. De finder også, at udryddelsen af ​​fotoniske topologiske kanttilstande refererer til glasovergangen. Disse indsigter kan være nyttige til at realisere amorfe topologiske isolatorer i andre fysiske omgivelser såsom akustik.

Den amorfe PTI består af gyromagnetiske stænger, der er arrangeret i computergenererede amorfe gittermønstre og magnetisk forspændt for at bryde tids-vendende symmetri. Ved at udføre kant/bulk transmission og nærfeltsfordelingsmålinger til PTI'erne i en kobber parallelplade bølgeleder, eksistensen af ​​robuste topologiske kanttilstande i de amorfe PTI'er verificeres eksperimentelt før begyndelsen af ​​glasovergangen. Ved yderligere at deformere det amorfe gitter til et væskelignende gitter, lukningen af ​​mobilitetsgabet og forsvinden af ​​de topologiske kanttilstande observeres. Disse videnskabsmænd opsummerer funktionerne i deres topologiske system:

"Vi designede et amorft PTI-system med tre fordele:(1) de amorfe gitter er realiserbare i naturlige materialer, da de genereres af Molecular Dynamics Methods; (2) den fulde kortlægning fra krystallinske til glaslignende amorfe til væskelignende faser giver udbytte hele evalueringen af ​​topologien, fra fremkomst til udryddelse, og tydeligt fanger rollen af ​​glas-væske overgangen; og (3) den fotoniske platform kan immigreres for at verificere andre ikke-periodiske fotoniske topologiske materialer."

"Den topologiske beskyttelse understøttet af kortrækkende orden i vores amorfe PTI'er viser bemærkelsesværdig robusthed over for store defekter, f.eks. 3 gange den karakteristiske længde af gitterne, og 90º bøjninger, alle sammenlignelige med krystallinske modstykker, " tilføjede de.

"Den præsenterede tilgang kan bruges til at udvikle specifikke amorfe PTI'er med ønskede strukturelle korrelationer, e. g. de hyperensartede strukturer studeret i fotoniske krystaller med båndgab, eller overvåge andre ikke-periodiske PTI'er, f.eks. kvasi-krystallerne eller metamaterialerne. Vores resultater vil derfor være yderst nyttige for fremtidige værker, der undersøger ikke-krystallinske topologiske fotoniske materialer til nye fotoniske enheder, såsom topologiske tilfældige lasere, " foreslår forskerne.