Topologiska isolatorer är exotiska tillstånd av fysik som fysiker har intensivt studerat under det senaste decenniet. Deras mest intressanta egenskap är att de kan skiljas strikt från alla andra material med hjälp av ett matematiskt koncept som kallas "topologi". Denna matematiska egenskap ger topologiska isolatorer förmågan att transportera elektriska signaler utan förlust, via speciella kvanttillstånd som kallas "topologiska yttillstånd".

Dock, topologiska isolatorer behöver inte bara realiseras med elektroner. Fysiker har också tagit fram fotoniska topologiska isolatorer, syntetiska material som ger ljusvågor distinkta topologiska egenskaper, låter ljus (snarare än elektriska strömmar) flöda via topologiska yttillstånd. Till skillnad från elektroniska topologiska isolatorer, fotoniska topologiska isolatorer kan enkelt arbeta vid rumstemperatur, bland andra fördelar. Som ett resultat, fotoniska topologiska isolatorer kan ha applikationer i framtida optiska enheter, såsom högeffektslasrar och optiska dioder.

Ett team av forskare från Nanyang Technological University (NTU), Singapore, och Zhejiang University, Kina, har meddelat utvecklingen av världens första tredimensionella (3-D) fotoniska topologiska isolator. I en tidning som ska publiceras i ett kommande nummer av Natur , teamet rapporterar att en specialdesignad 3D-array av resonatorer kan fungera som en topologisk isolator för mikrovågor. De har observerat entydiga bevis för signatur topologiska yttillstånd, i form av mikrovågor som flyter utan ansträngning längs 2D-ark inbäddade i 3D-volymen av deras prov.

"Tidigare forskare kunde göra tvådimensionella fotoniska topologiska isolatorer. Men trots många teoretiska förslag genom åren, ingen hade kunnat förverkliga en 3D-version, "säger docent Baile Zhang från NTU, som var handledare för projektet. Han noterar att 3D-topologiska isolatorer har viktiga funktioner, inklusive möjligheten att kanalisera topologiska yttillstånd längs alla möjliga rumsliga riktningar. I ett av deras experiment, forskarna visade att mikrovågor effektivt kan styras längs en 2-D yta som innehåller sicksackliknande veck.

Teamet konstruerade den 3-D fotoniska topologiska isolatorn av en stapel tunna plastskivor inbäddade med metallantenner som fungerar som små elektromagnetiska resonatorer. Nyckelgenombrottet gjordes när de insåg hur man kan skräddarsy resonatorerna för att interagera med elektromagnetiska vågor på ett mycket specifikt sätt, ge vågorna de önskade topologiska egenskaperna.

"Eftersom arken är gjorda med väletablerad teknik för att skriva ut kretskort, denna design är billig och enkel att implementera, "förklarar professor Hongsheng Chen från Zhejiang University, en annan medhandledare för projektet. "Som jämförelse andra förslag som tidigare publicerats i den vetenskapliga litteraturen involverade användning av icke-standardiserade keramiska eller magnetiska material, som är mycket svåra att arbeta med om du vill göra en riktig enhet. "

Dr. Yihao Yang, en postdoktor vid NTU som var huvudförfattare på tidningen, sa att laget kunde bygga ett övertygande vetenskapligt fall genom att konstruera detaljerade kartor över hur elektromagnetiska vågor färdas inom den fotoniska topologiska isolatorn. "Genom att försiktigt sätta in en elektromagnetisk fältsond i provet, vi mätte fältfördelningarna genom urvalet. Detta gjorde att vi kunde rekonstruera de 'dispersionsförhållanden' som fungerar som de fysiska signaturerna för topologiska isolatorer, " han sa.

Docent Yidong Chong, en annan medlem av NTU-teamet, observerade att detta arbete är den första insikten av en syntetisk 3D-topologisk isolator som inte är baserad på flödet av elektrisk ström. "Detta är ett exempel på fysikens universalitet, " sa han. "Ett fenomen som uppstår i en miljö, som kvantmaterial, kan återges i en annan inställning, i detta fall ett artificiellt medium för elektromagnetiska vågor. Den viktigaste ingrediensen är att de följer samma ekvationer och teoretiska begrepp. "Han föreslår att 3D-fotonisk topologisk isolator kan ge en intressant miljö för att studera grundläggande fysik, eftersom de topologiska yttillstånden styrs av samma ekvationer som masslösa 2-D-elektroner som lyder Einsteins relativitetsteori.

Den nuvarande 3-D fotoniska topologiska isolatorn är begränsad till elektromagnetiska vågor, vid relativt låga frekvenser. "Om vi ​​kan skala den till optiska frekvenser, det vill säga vågor av synligt ljus, det kan finnas applikationer för att skapa optiska datorchips, lasrar, och alla möjliga intressanta optiska enheter, "säger NTU:s professor Zhang.