Ser stabil topologi ved hjælp af ustabilitet

Vi kender mest de fire konventionelle faser af stof:fast, væske, gas, og plasma. Ændringer mellem to faser, kendt som faseovergange, er præget af pludselige ændringer i materialegenskaber som densitet. I de seneste årtier har en bred fysikforskning været afsat til at opdage nye ukonventionelle faser af stof, som typisk dukker op ved ultralave temperaturer eller i specielt strukturerede materialer. Eksotiske "topologiske" faser udviser egenskaber, der kun kan ændre sig på en kvantiseret (trinvis) måde, gør dem i sagens natur robuste mod urenheder og defekter.

Ud over topologiske materielle tilstande, topologiske faser af lys kan opstå i visse optiske systemer, såsom fotoniske krystaller og optiske bølgelederarrays. Topologiske lystilstande er interessante, da de kan danne grundlag for fremtidige energieffektive lysbaserede kommunikationsteknologier såsom lasere og integrerede optiske kredsløb.

Imidlertid, ved høje intensiteter kan lys ændre egenskaberne for det underliggende materiale. Et eksempel på et sådant fænomen er den skade, som højeffektlaserne kan påføre spejle og linser. Dette påvirker igen lysets formering, danner en ikke -lineær feedback loop. Ikke -lineære optiske effekter er afgørende for driften af ​​visse enheder, såsom lasere, men de kan føre til fremkomsten af ​​uorden fra orden i en proces kendt som modulativ ustabilitet, som det er vist i figur 1. At forstå samspillet mellem topologi og ikke -linearitet er et fascinerende emne for igangværende forskning.

Daniel Leykam, Aleksandra Maluckov, og Sergej Flach ved Center for Teoretisk Fysik i Komplekse Systemer (PCS) inden for Institute for Basic Science (IBS, Sydkorea), sammen med deres kolleger Ekaterina Smolina og Daria Smirnova fra Institute of Applied Physics, Russian Academy of Sciences og Australian National University, har foreslået en ny metode til at karakterisere topologiske lysfaser ved hjælp af ikke -lineære ustabilitet udstillet af lyse lysstråler. Denne undersøgelse blev offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve .

I dette arbejde, forskerne tog fat på det grundlæggende spørgsmål om, hvordan topologiske lysfaser i ikke -lineære optiske medier gennemgår processen med modulerende ustabilitet. Det blev teoretisk vist, at visse træk ved ustabiliteten, såsom dens vækstrate, kan variere mellem forskellige topologiske faser. Forskerne udførte numeriske simuleringer af den modulerende ustabilitet og demonstrerede, at det kan bruges som et værktøj til at identificere forskellige topologiske faser af lys. Et eksempel på denne idé er vist i figur 2:Mens lysstrålerne genereret af ustabiliteten har tilsyneladende tilfældige intensitetsmønstre, de udviser skjult orden i deres polarisering i form af robuste hvirvler. Antallet af hvirvler, der vises som følge af ustabiliteten, kvantificeres, og de kan bruges til at skelne mellem forskellige topologiske faser.

Den mest almindelige måde at identificere topologiske faser af lys har været at se på materialets kanter, hvor visse optiske bølgelængder bliver lokaliseret. Imidlertid, en komplet karakterisering kræver måling af materialets bulkegenskaber, hvilket er en meget sværere opgave. Lyset i massematerialet udsættes for kompliceret bølgeforstyrrelse og er meget følsom over for defekter, som tilslører dens topologiske egenskaber. Modsat, forskerne har vist, hvordan ikke -lineære ustabilitet kan bruges til at tæmme denne uønskede interferens og spontant koder materialets topologiske egenskaber i lysstråler. Denne tilgang giver en enklere måde at undersøge og måske endda generere topologiske lystilstande.

Det næste trin vil være at teste dette forslag i et eksperiment. For eksempel, optiske bølgeleder -arrays indskrevet i et glas vil være en ideel platform til dette formål. Ved at skinne en lys pulserende laserstråle ind i glasset, det bør være muligt direkte at observere den modulerende ustabilitet og derved måle bølgeleder -arrayets topologiske egenskaber. Forskningsgruppen diskuterer i øjeblikket mulige designs til eksperimentel verifikation af deres teori med samarbejdspartnere.