Forskerhold demonstrerer robust lysudbredelse i åbne systemer

Fysikere fra University of Rostock, Cluster of Excellence ct.qmat, Julius-Maximilians University of Würzburg og Indiana University Indianapolis (IUPUI) har for første gang vist, at lys kan forplante sig uden tab i systemer, der interagerer med deres omgivelser . Tidligere blev det antaget, at sådanne åbne systemer uundgåeligt ville udvise eksponentiel forstærkning eller dæmpning af lys og dermed føre til systemets ustabilitet.

Disse nye resultater er for nylig blevet offentliggjort i Nature Materials . Resultaterne kan blive grundlaget for fremtidig udvikling af nye robuste kredsløb til elektricitet, lys og lydbølger.

Uanset om man beskriver planeternes kredsløb eller atomets indre funktion, er et nøgleparadigme i fysik bevarelsen af ​​energi. Mens forskellige former for energi kan omdannes til hinanden, antages den samlede mængde energi typisk at være konstant over tid. Derfor har fysikere normalt en tendens til at sikre sig, at det system, de forsøger at beskrive, ikke interagerer med dets omgivelser.

Men som det viser sig, kan et systems dynamik også være stabil, hvis forstærkningen og tabet af energi fordeles på en systematisk måde, så de udligner hinanden under alle tænkelige forhold, hvilket kan sikres ved såkaldt paritet -tids (PT) symmetri.

I lighed med en video, der afspilles baglæns og samtidig reflekteres i et spejl og alligevel ser ud nøjagtigt som den originale video - dvs. er PT-symmetrisk - er komponenterne i systemet arrangeret på en sådan måde, at en udveksling af gevinst og tab af lys gennem den samtidige spejling og tidsvending får systemet til at fremstå uændret.

Langt fra at være et rent akademisk begreb, har PT-symmetri banet vejen for en dybere forståelse af åbne systemer.

De fascinerende fysiske fænomener forbundet med PT-symmetri er professor Alexander Szameit og hans team ved University of Rostocks speciale. I deres tilpassede fotoniske chips kan laserlys efterligne opførselen af ​​naturlige og syntetiske materialer, der er arrangeret i periodiske gitterstrukturer, hvilket gør dem til et ideelt testbed for en lang række fysiske teorier.

På denne måde har professor Szameit og hans team formået at kombinere PT-symmetri med begrebet topologi. Topologi studerer egenskaber, der ikke ændres på trods af, at det underliggende system konstant deformeres. Sådanne egenskaber gør så et system særligt robust over for ydre påvirkninger.

Til deres eksperimenter bruger Szameits forskergruppe laserindskrevne fotoniske bølgeledere - optiske strukturer skrevet ind i et materiale af en laserstråle. I disse "kredsløb for lys" er såkaldte topologiske isolatorer realiseret. Szameit forklarer, "Disse isolatorer har tiltrukket sig meget opmærksomhed i de seneste år på grund af deres fascinerende evne til at formidle en tabsfri strøm af elektroner eller lys langs deres grænse. Den unikke evne til at undertrykke virkningen af ​​defekter og spredning gør dem særligt interessante for alle slags teknologiske applikationer."

Indtil nu blev sådanne robuste grænsetilstande dog anset for at være grundlæggende uforenelige med åbne systemer. I deres fælles indsats var forskerne fra Rostock, Würzburg og Indianapolis i stand til at vise, at tilsyneladende paradokser kan løses ved dynamisk at fordele gevinst og tab over tid.

Første førsteforfatter, ph.d. studerende Alexander Fritzsche uddyber:"Lyset, der forplanter sig langs grænsen af ​​vores åbne system, er som en vandrer, der krydser bjergrigt terræn. På trods af alle op- og nedture vil de uundgåeligt ende tilbage ved startpunktets første højde.

"Tilsvarende vil lyset, der udbreder sig inden for den beskyttede kantkanal af vores PT-symmetriske topologiske isolator aldrig udelukkende blive forstærket eller dæmpet, og kan derfor bevare sin gennemsnitlige amplitude, mens den nyder topologiens fulde robusthed."

Disse resultater er et vigtigt bidrag til den grundlæggende forståelse af topologiske isolatorer og åbne systemer og kan åbne portene til en ny generation af avancerede kredsløb til elektricitet, lys eller endda lydbølger.

Flere oplysninger: Alexander Fritzsche et al., Paritet-tidssymmetrisk fotonisk topologisk isolator, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01773-0

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af University of Rostock