Den eksperimentelle demonstration af topologisk spredning i fotoniske resonatorer

Hidtil har fysikere primært studeret topologiske faser i konservativt koblede systemer. Det er systemer med dynamik, der ikke forsvinder, og et faserum, der ikke krymper over tid. De står i skarp kontrast til dissipative systemer, som er termodynamisk åbne systemer (dvs. opererer ud af termodynamisk ligevægt) præget af dynamik, der kan spredes over tid.

Forskere ved California Institute of Technology, Stanford University og andre institutter verden over har for nylig introduceret og eksperimentelt demonstreret topologiske faser i et dissipativt koblet system. Deres papir, udgivet i Nature Physics , kunne i sidste ende informere udviklingen af ​​nye teknologier, der er mindre modtagelige for fabrikationsfejl.

"Vores dissipativt koblede topologiske faser manifesterer ikke-triviel topologi i et systems spredningsegenskaber:et fundamentalt nyt koncept, som vi kalder topologisk spredning," fortalte Alireza Marandi, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Topologisk spredning præsenterer en ny studieretning for topologisk fysik og har potentialet til at inspirere nye enheder til solid-state elektronik, fononik og fotonik, der er immune over for miljøstøj og modstandsdygtige over for fabrikationsfejl."

Ud over at demonstrere topologiske faser i et dissipativt system, realiserede Marandi og hans kolleger en eksperimentel platform, der kunne forbedre studiet af topologisk fysik. Mere specifikt brugte de tidsmultiplekserede resonatornetværk til at skabe en storstilet, fleksibel platform til at studere topologisk fotonik.

"I vores papir viser vi nogle af platformens muligheder, for eksempel i den samme opsætning uden hardwareændringer, vi kan ændre grænsebetingelserne og skifte fra et topologisk gitter til et trivielt gitter midt i eksperimentet og studere eksotiske dynamik," forklarede Marandi. "Vores platform er let skalerbar til endnu flere syntetiske dimensioner og kan implementere komplekse langrækkende koblinger, hvilket giver en ligetil skabelon til at studere fysik i tæt forbundne gitter og i fire eller flere dimensioner."

Platformen designet af Marandi og hans kolleger består af et netværk af fotoniske resonatorer, forbundet med "dissipative" forbindelser. Dette betyder i det væsentlige, at hver af stierne, der forbinder resonatorerne, kan lække nogle fotoner og få dem til at forlade netværket, afhængigt af hvordan lyset i forbindelsen interfererer med lyset i resonatorerne (f.eks. konstruktivt eller destruktivt). Mere teknisk set afhænger spredningen af ​​det netværk, som forskerne har skabt, af dets supermode og af, hvordan denne supermode er ophidset.

"Vi har analytisk vist, at i et rent dissipativt koblet netværk, når netværket repræsenterer et gitter, et topologisk gitter i vores tilfælde, ville dissipationshastighederne af modi være ækvivalente med energibåndene i gitteret, og vi kunne observere topologiske adfærd i disse spredningsrater," sagde Marandi. "For eksempel kunne vi i et specifikt tilfælde observere, at kvalitetsfaktoren for netværkets supermode vil være topologisk beskyttet mod forstyrrelser på netværket."

Platformen skabt af Marandi og hans kolleger blev fremstillet ved hjælp af hyldefiberoptikbaserede komponenter og blev drevet ved hjælp af en kortpulslaser. For at programmere den optiske maskine og tilpasse den til et specifikt gitter brugte forskerne et FPGA-system, et hardwarekredsløb, der bruges til at udføre logiske operationer.

Resultaterne opnået af dette team af forskere kunne lægge grunden til yderligere teoretiske undersøgelser og eksperimenter med fokus på topologiske faser i dissipative systemer. Derudover kan den dissipativt koblede topologiske fase, som forskerne har demonstreret, også være relevant for andre områder af fysikken, herunder kondenseret stoffysik, fotonik og studiet af ultrakolde atomer.

"Dissipativt koblede topologiske faser har robuste topologiske tilstande med isolerede dissipationshastigheder," sagde Marandi. "Denne egenskab giver også en ny måde at konstruere spredningen af ​​et system på og kan være nyttig til at designe enheder såsom kvantehukommelser, fotoniske sensorer og topologiske forstærkere."

I fremtiden kan det nylige arbejde af Marandi og hans kolleger også være af interesse for hold, der fokuserer på et relativt nyt forskningsområde, nemlig ikke-hermitisk topologisk fysik. Faktisk kunne de dissipative egenskaber af de topologiske faser, de afslørede, kombineres med gevinsten og tabet observeret i ikke-hermitiske systemer for at realisere nye topologiske effekter. Disse effekter kunne igen muliggøre udviklingen af ​​nye, robuste og meget kraftfulde lasere.

"Vi planlægger nu at studere grundlæggende fysik, der er muliggjort af fleksibiliteten og skalerbarheden af ​​vores maskine," sagde Marandi. "I den retning studerer vi nogle eksotiske topologiske og ikke-ermitiske dynamikker, som har været uden for rækkevidde af tidligere eksperimentelle platforme. Den anden forskningsretning, som vi forfølger, er relateret til applikationer, da vi mener, at begrebet topologisk spredning kan være en ekstra ressource til fotoniske systemer. Specifikt udnytter vi i øjeblikket sådanne topologiske faser til at skabe tilstandslåste lasere og fotoniske sensorer." + Udforsk yderligere

Topologisk fotonik i fraktale gitter

© 2022 Science X Network