Optiska enheter skapar, guide, och detekterar elektromagnetiska vågor och inkluderar lasrar, teleskop, och solceller. De flesta av materialen som används i dessa enheter är utmanande för vissa tillämpningar på grund av ett fenomen som kallas optisk reciprocitet, en inneboende symmetri som tvingar ljus att resa åt två håll. Ett exempel på en applikationsbaserad utmaning är en kraftfull laser, där bakåtspritt ljus orsakat av optisk reciprocitet kan skada instrumentet.

En ny studie publicerad i Naturkommunikation beskriver hur optisk ömsesidighet kan brytas med hjälp av insikter från topologisk fysik. Inducerade topologiska tillstånd, att ingjuta materialet med nya egenskaper, kan hjälpa till att skapa "envägssystem" för ljus att resa, gör det möjligt att skapa mer effektiva optiska enheter i framtiden. Forskningen leddes av biträdande professor Bo Zhen och postdoc Li He i samarbete med professor Eugene Mele och doktorander Zachariah Addison och Jicheng Jin, samt professor Steven Johnson från MIT.

Även om det finns vissa naturligt existerande material som kan bryta optisk ömsesidighet, denna magneto-optiska effekt är ofta mycket svag, och materialen kan endast användas i statiska system. Dessa begränsningar gör att materialen är för skrymmande för att användas på små optoelektroniska chips. "Det är en teknisk barriär som finns, " säger Zhen. "Förutom denna magneto-optiska effekt, Vi frågar vilka andra vetenskapliga möjligheter som kan genomföra liknande effekter. "

Zhen och He studerade LiNbO ₃ , ett optiskt material som kan göras till tunna filmer och kan användas som beläggning på optoelektroniska chips och små enheter. Som en klass av optiskt material som fysiker refererar till som olinjära, LiNbO ₃ kan bryta optisk ömsesidighet när den placeras i en dynamisk miljö, som att bli skakad istället för att stå still, eller ett statiskt system.

Icke-linjära optiska material är ganska vanliga; de flesta klassrumslaserpekare har olinjära optiska kristaller som omvandlar osynligt infrarött ljus till synligt grönt ljus. Hindret som forskare står inför är att det finns mycket lite känt om topologiska faser i olinjära optiska material, speciellt när de är i dynamiska inställningar.

Med forskarnas expertis inom topologisk fotonik och att studera material med optoelektroniska tillämpningar, de utvecklade en fysisk teori för att förklara vad som händer i olinjära optiska material. För att bekräfta teorin, Han körde simulerade experiment på LiNbO3 fotoniska kristaller och fann att topologiska faser kunde induceras om materialet var i ett dynamiskt system.

Mer viktigt, forskarna säger, dessa topologiska faser verkar inte ha några direkta motsvarigheter i elektroniska system, vilket kan leda till unika funktioner i framtida applikationer. "Till exempel, vi skulle potentiellt också kunna uppnå en enkelriktad förstärkare eller dämpare, " säger han.

Zhen säger att en subtil aspekt av deras resultat är att de ger en bättre förståelse för energibesparing i dynamiska system, vilket är mindre okomplicerat än statiska system. Till exempel, när ljusets fotoner går genom ett dynamiskt system, antalet fotoner förblir detsamma, men den totala mängden energi kan förändras när fotoner tar upp eller frigör energi. Att ha en bättre förståelse för vad som bevaras och vad som inte finns i dynamiska system var en av höjdpunkterna i denna forskning för Zhen och hans team.

Som en av de första artiklarna som gav en grund för framtida studier av topologiska tillstånd i olinjära optiska material, detta arbete kan ge vägledning för framtida teoretiskt arbete samtidigt som det ger en startpunkt för kommande experiment.

"Det är verkligen början på ett mycket spännande område, " säger Zhen. "Vi lade ned den underliggande teoretiska ramen och visade att även om det statiska systemet är trivialt, om vi skakar det på rätt sätt, det blir något väldigt intressant."