Spiralforskydning giver 3D topologisk fotonik en robust kant

Krystaller har begejstret mennesker i tusinder af år med deres visuelle skønhed og elegante symmetriske former, og for nylig med deres talrige teknologiske anvendelser. Grundlæggende er disse materialer baseret på et meget regelmæssigt arrangement af deres mindste bestanddele, og de fysiske egenskaber af krystallinske materialer afhænger stærkt af renheden af ​​deres underliggende gitter.

Alligevel er ufuldkommenheder ikke nødvendigvis skadelige. For eksempel er et drys af atomer fra tilstødende grupper i det periodiske system i stand til at forvandle ellers inerte plader af krystallinsk silicium til kraftige elektroniske processorer, der rutinemæssigt udfører milliarder af operationer i sekundet, såvel som højeffektive solceller, der er i stand til at høste sollys til strøm. dem.

Som det viser sig, er begrebet diskrete systemer ikke begrænset til faste stoffer, da den samme underliggende matematiske ramme også beskriver udviklingen af ​​lys i gitter af såkaldte bølgeledere.

Disse "ledninger til lys" har fascineret prof. Alexander Szameit fra universitetet i Rostock i lang tid. "Alle barn ved, at lys rejser i lige linjer. I bedste fald kan det reflekteres fra et spejl eller afbøjes af en vinkel, når det kommer ind i en glasblok eller passerer gennem en linse," skitserer lederen af ​​solid-state optikgruppen. den daglige oplevelse med optik.

"Det holder aldrig op med at forbløffe mig, at lys faktisk kan fastgøres til og tunneleres mellem specifikke baner som elektroner i en krystal," fortsætter han og beskriver grundlaget for sin gruppes forskning. På denne måde kan arrays af bølgeledere afspejle mange facetter af faststoffysik og endda give anledning til helt nye effekter og nye funktionelle strukturer.

Til deres nyeste gennembrud gik Rostock-fysikerne sammen med kolleger fra Technion Haifa (Israel) og Zhejiang University (Kina) for at konstruere et hidtil uhåndgribeligt kunstigt optisk materiale:En tredimensionel topologisk isolator (TI) til lys.

"Topologiske isolatorer er en ny fase af stof og har kun været kendt i et par årtier," siger forfatteren Dr. Lukas Maczewsky. "Deres fotoniske modstykker kan lede lys rundt om defekter og skarpe hjørner og beskytte det mod at blive spredt i processen."

Alligevel bevæger lys sig med utrolige hastigheder, og konventionelle fotoniske platforme er typisk nødt til at ofre mindst én af de tre rumlige dimensioner for at kontrollere lysets opførsel i de resterende. Som følge heraf var tidligere eksperimenter på fotoniske TI'er begrænset til endimensionelle og plane arrangementer.

Den elegante løsning, som holdet af forskere fandt på for at overvinde disse begrænsninger, kombinerer konceptet med syntetiske dimensioner med en specifik type defekt - en såkaldt "skrueforskydning". Denne fornuftigt placerede defekt forbinder kontinuerligt gitterets individuelle planer ved at dreje dem omkring en central akse, der ligner en proptrækker. Medforfatter og ph.d. studerende Julius Beck forklarer, at "som at transformere en løs stak ringe til en sømløst forbundet spiral, tillod denne tilsigtede defekt os at skabe den første 3D topologiske isolator til lys."

Forskningen blev offentliggjort i Nature . + Udforsk yderligere

Topologisk fotonik i fraktale gitter