Under det senaste decenniet har en ny typ av material har väckt ökande attraktion:den så kallade topologiska isolatorn. Denna materialklass uppvisar en mycket speciell egenskap:de beter sig som isolatorer i interiören, men innehåller ledande stater vid sina gränser. Eftersom dessa tillstånd är "topologiskt" skyddade (se nedan), staterna är mycket robusta mot brister, och elektriska strömmar kan flöda nästan utan att det försvinner. Detta gör dessa material extremt intressanta för kvantkommunikation och kvantberäkning, till exempel.

Nu är Dr Tao Shi (för närvarande Chinese Academy of Sciences, Beijing) och professor Ignacio Cirac från Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching, tillsammans med prof. Jeff Kimble från California Institute of Technology (Pasadena, USA), har utvecklat ett detaljerat schema för en experimentell installation för att realisera en tvådimensionell topologisk isolator med klassiska optiska nätverk ( Förfaranden från National Academy of Sciences , AOP 10 oktober 2017). "I detta nätverk, fotonlägen spelar de elektroniska tillståndens roll i ett solid state -lager, "förklarar Dr Tao Shi." Genom att förbereda kirala foton -lägen vid gränsen, vi kanske kan bygga en envägs elektromagnetisk vågledare, i vilket ljus bara kan sprida sig i en riktning, medan motsatt riktning är förbjuden. "

Halvkristaller kännetecknas av deras bandstruktur. Vid isolering, det så kallade valensbandet, där alla elektroniska stater är ockuperade, separeras från ledningsbandet med en stor förbjuden zon. Detta, dock, gäller bara för oändliga prover. Vid en begränsad kristall eller skikt, de elektroniska tillstånden vid ytan eller kanten, respektive, skiljer sig från interiören, och ibland dyker de upp mitt i den förbjudna zonen. Eftersom formen på bandstrukturen matematiskt beskrivs med ett visst topologiskt tal, dessa system kallas i korthet "topologiska isolatorer".

Kanttillståndens kiralitet är låst till elektronens snurr, och är följaktligen skyddad av tidsomvändningssymmetri:en omvänd riktning skulle innebära en vändning av centrifugeringsriktningen. För en viss materialklass med ett "icke -lokalt" topologiskt nummer är detta inte tillåtet. Därför, staterna är skyddade och robusta mot brister eller deformationer, så länge störningarna är små. I en viss klass av elektroniska tvådimensionella topologiska isolatorer kan även den så kallade quantum spin Hall (QSH) effekten observeras. Intuitivt, denna effekt beskriver fenomenet att elektroner med olika snurr utsätts för motsatt riktade magnetfält.

Till skillnad från tidigare system, forskarna föreslår en installation gjord av optiska passiva element som fibrer, stråldelare, och vågplattor, varigenom systemförlusterna reduceras i stor utsträckning. Genom att konstruera noderna i nätverket med en "dålig" hålighet, dvs en hålighet med hög dämpning, de kan dramatiskt förbättra den topologiska bandgapet till skalan för det fria spektralområdet. Som en konsekvens, kantlägena överlever i den större frekvensdomänen med mycket längre livslängd. Vidare, samspelet mellan topologin och Kerr-olinjäriteten inducerar generering av pressade kantlägen.

"Den optiska analogen för en topologisk isolator banar vägen för att bygga envägsvågledaren, "Dr Shi påpekar." Bortsett från det - vårt slutliga mål är att förverkliga den fraktionerade quantum Hall -effekten (FQHE) i detta fotoniska system. För detta ändamål, vi måste framkalla starka foton-foton-interaktioner med hjälp av atomer. Vi skulle också vilja se några exotiska topologiska faser i det fotoniska systemet, som kan skilja sig mycket från de som observeras i konventionella system för kondenserade ämnen. "