Topologiska effekter, såsom de som finns i kristaller vars ytor leder elektricitet medan deras bulk inte gör det, har varit ett spännande ämne inom fysikforskning de senaste åren och var föremål för Nobelpriset i fysik 2016. Nu, ett team av forskare vid MIT och på andra håll har hittat nya topologiska fenomen i en annan klass av system - öppna system, där energi eller material kan komma in eller släppas ut, till skillnad från slutna system utan något sådant utbyte med utsidan.

Detta kan öppna några nya områden av grundläggande fysikforskning, teamet säger, och kan i slutändan leda till nya typer av lasrar och annan teknik.

Resultaten rapporteras i veckan i tidningen Vetenskap , i ett papper av den senaste MIT -examen Hengyun "Harry" Zhou, MIT -gästforskare Chao Peng (professor vid Peking University), MIT -doktorand Yoseob Yoon, nyligen utexaminerade MIT Bo Zhen och Chia Wei Hsu, MIT -professor Marin Soljačić, Francis Wright Davis professor i fysik John Joannopoulos, Haslam och Dewey professor i kemi Keith Nelson, och Lawrence C. och Sarah W. Biedenharn Karriärutvecklingsassistent professor Liang Fu.

I de flesta forskningsområden inom topologiska fysiska effekter, Soljačić säger, så kallade "öppna" system-fysiskt sett, dessa är kända som icke-hermitiska system-studerades inte mycket i experimentellt arbete. Komplexiteten i att mäta eller analysera fenomen där energi eller materia kan tillsättas eller förloras genom strålning gör i allmänhet dessa system svårare att studera och analysera på ett kontrollerat sätt.

Men i detta arbete, laget använde en metod som gjorde dessa öppna system tillgängliga, och "vi hittade intressanta topologiska egenskaper i dessa icke-hermitiska system, "Säger Zhou. I synnerhet de hittade två specifika typer av effekter som är distinkta topologiska signaturer av icke-hermitiska system. En av dessa är en slags bandfunktion som de kallar en bulk Fermi -båge, och den andra är en ovanlig typ av förändrad polarisering, eller orientering av ljusvågor, avges av den fotoniska kristallen som användes för studien.

Fotoniska kristaller är material där miljarder mycket exakt formade och orienterade små hål görs, vilket får ljus att interagera på ovanliga sätt med materialet. Sådana kristaller har aktivt studerats för de exotiska interaktioner de inducerar mellan ljus och materia, som har potential för nya typer av ljusbaserade datorsystem eller ljusemitterande enheter. Men även om mycket av denna forskning har gjorts med hjälp av slutna, Hermitiska system, de flesta potentiella verkliga applikationerna innefattar öppna system, så de nya observationerna från detta team kunde öppna upp helt nya forskningsområden, säger forskarna.

Fermi bågar, ett av de unika fenomen som teamet hittade, trotsa den vanliga intuitionen att energikonturer nödvändigtvis är slutna kurvor. De har observerats tidigare i slutna system, men i dessa system bildas de alltid på de tredimensionella ytorna i ett tredimensionellt system. I det nya arbetet, för första gången, forskarna hittade en Fermi -båge som finns i huvuddelen av ett system. Denna bulk Fermi -båge förbinder två punkter i emissionsriktningarna, som är kända som exceptionella punkter - en annan egenskap hos öppna topologiska system.

Det andra fenomenet de observerade består av ett ljusfält där polarisationen ändras enligt emissionsriktningen, gradvis bildar en halv vridning när man följer riktningen längs en slinga och återvänder tillbaka till utgångspunkten. "När du går runt denna kristall, polariseringen av ljuset vänder faktiskt, "Säger Zhou.

Denna halvvridning är analog med en Möbius-remsa, han förklarar, där en pappersremsa vrids en halv varv innan den ansluts till den andra änden, skapa ett band som bara har en sida. Denna Möbius-liknande twist i ljuspolarisering, Zhen säger, kan i teorin leda till nya sätt att öka mängden data som kan skickas via fiberoptiska länkar.

Det nya verket är "mestadels av vetenskapligt intresse, snarare än teknik, "Säger Soljačić. Zhen tillägger att" nu har vi denna mycket intressanta teknik för att undersöka egenskaperna hos icke-hermitiska system. "Men det finns också en möjlighet att arbetet i slutändan kan leda till nya enheter, inklusive nya typer av lasrar eller ljusemitterande enheter, de säger.

De nya fynden möjliggjordes av tidigare forskning av många av samma teammedlemmar, där de hittade ett sätt att använda ljus spritt från en fotonisk kristall för att producera direktbilder som avslöjar materialets energikonturer, snarare än att behöva beräkna dessa konturer indirekt.

"Vi hade en aning" om att sådant halvvridande beteende var möjligt och kunde vara "ganska intressant, "Soljačić säger, men att hitta det krävde "ganska lite sökning för att ta reda på, hur får vi det att hända? "

"Den kanske mest geniala aspekten av detta arbete är att författarna använder det faktum att deras system nödvändigtvis måste förlora fotoner, som vanligtvis är ett hinder och irritation, för att få tillgång till ny topologisk fysik, "säger Mikael Rechtsman, en biträdande professor i fysik vid Pennsylvania State University som inte var inblandad i detta arbete. "Utan förlusten ... hade detta krävt mycket komplexa 3D-tillverkningsmetoder som sannolikt inte skulle ha varit möjliga." Med andra ord, han säger, tekniken som de utvecklade "gav dem tillgång till 2-D-fysik som konventionellt skulle ha ansetts omöjlig."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.