Forskere udvikler ikke-linearitetsinduceret topologisk isolator

Forskere fra University of Rostock har udviklet en ny type ikke-lineære fotoniske kredsløb, hvor intense lysstråler kan definere deres egen vej og, derved, gør sig uigennemtrængelige for ydre forstyrrelser. Denne opdagelse blev for nylig offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Videnskab .

"Fotoner er en uregerlig flok, " forklarer professor Alexander Szameit, hvis gruppe udførte de banebrydende eksperimenter. "Så snart det lykkes at bekæmpe dem mod et bestemt punkt i rum og tid, de spredes straks igen i alle retninger." århundreders forskning har været afsat til at forme lysstrømmen på en række måder:Linser og buede spejle kan stramt fokusere stråler fra solen. Kraftige lasere genererer kohærente stråler og korte impulser af intenst lys. Og fiberoptiske kabler leverer svimlende mængder af optisk kodede data over hele verden. Endnu, lysbølger er overraskende sarte enheder:En lille revne i en linse, et støvkorn, der driver gennem en laserstråle, eller et knæk i fiberen kan forstyrre de indviklede mekanismer, der forvandler lys til måske det mest alsidige værktøj, menneskeheden nogensinde har udnyttet.

Elektroniske topologiske isolatorer - faste stoffer, der ikke leder elektricitet inde i deres bulk, men på samme tid er de perfekt ledende langs deres overflade - blev eksperimentelt realiseret for første gang i 2007 af Laurens Molenkamp og hans team ved universitetet i Würzburg. Deres fotoniske modstykker har fascineret prof. Szameit i lang tid. "Lige siden vores første implementering af en topologisk isolator til lys, vi har stræbt efter at opdage, hvordan disse ejendommelige systemer kan bruges, "husker fysikeren.

Mens fotoniske topologiske isolatorer kan lede lys langs præcist definerede baner, og den matematiske ramme, der understøtter deres design, giver dem en hidtil uset grad af robusthed over for ufuldkommenheder eller eksterne forstyrrelser, disse eftertragtede ejendomme udgør også en formidabel hindring. "Når de først er blevet injiceret i en topologisk kanal, lysimpulser lider ikke af spredningstab, men denne isolering gør dem også praktisk talt umulige at kontrollere uden at bryde dem ud af deres beskyttende miljø, " medforfatter Dr. Matthias Heinrich opsummerer den udfordring, som det videnskabelige samfund i øjeblikket står over for.

Selvfølgelig, på skrift, løsningen kan virke indlysende. "I princippet, det er nemt. Alt du behøver er en kontakt, som du kan dreje efter ønske for øjeblikkeligt at ændre systemets topologiske egenskaber mellem to lysimpulser, " spøger Szameit. Men, topologi er uløseligt forbundet med det fysiske arrangement af bølgelederkredsløbet, mens ultrakorte laserimpulser måles i femtosekunder (en milliontedel af en milliardtedel af et sekund) - mange størrelsesordener uden for rækkevidde af selv de hurtigste elektroniske modulatorer.

I tæt samarbejde med teoretikere fra University of Rostock, ICFO i Barcelona, universitetet i Lissabon og Moskva Institute for Science and Technology, holdet af unge forskere fandt en måde at i stedet lade lyset selv bestemme, om de skulle engagere sig i topologisk beskyttelse eller at opføre sig som i et konventionelt medie. "Afhængig af deres højeste intensitet, optiske impulser kan opføre sig på fundamentalt forskellige måder, " uddyber Lukas Maczewsky, Ph.D. elev og hovedforfatter af værket. "Ulinearitet er det magiske ord:I fotonik, nogle gange er to plus to virkelig mere end bare fire." Efter to års intens forskning og utallige timer i laboratorierne på Institut for Fysik ved University Rostock, disse bestræbelser kom til virkelighed.

Den ikke-linearitetsinducerede topologiske isolator - et nyt syntetisk materiale - tillader lysimpulser over en vis tærskelintensitet at etablere et forbigående topologisk domæne i deres umiddelbare nærhed. Den selverklærede "Star Trek"-fan Szameit tegner et levende billede af den komplekse fysik, der er på spil:"Ligesom U.S.S. Enterprise rejser sine skjolde, den selvgenererede beskyttende kokon følger lysimpulserne og bevarer dem langs deres valgte vej."

Det vellykkede internationale samarbejde har væsentligt avanceret grundvidenskab inden for kvanteoptik og især forskningen i fotoniske topologiske isolatorer. Indtil disse stykker kan samles til en brugbar optisk kvantecomputer - den hellige gral, der forfølges af grupper over hele verden - er der flere udfordringer, der skal løses. Alligevel, fysikernes nyeste opdagelse rummer et stort løfte for talrige innovative applikationer såsom topologisk beskyttet altoptisk signalbehandling og selvforbedrende fotoniske neuronale net. I betragtning af det hurtige fremskridt, disse ideer, der i dag kan virke som science fiction, snart kunne blive virkelighed.