Forskare vid Joint Quantum Institute (JQI) har skapat det första kiselchipset som på ett tillförlitligt sätt kan begränsa ljuset till dess fyra hörn. Effekten, som uppstår från störande optiska vägar, förändras inte av små defekter under tillverkningen och kan så småningom möjliggöra skapandet av robusta källor för kvantljus.

Den robustheten beror på topologisk fysik, som beskriver egenskaperna hos material som är okänsliga för små förändringar i geometrin. Ljusets kurva, som rapporterades 17 juni i Nature Photonics , är ett förverkligande av en ny topologisk effekt, förutspåddes först 2017.

Särskilt, det nya verket är en demonstration av kvadrupol topologisk fysik. En fyrpol är ett arrangemang av fyra poler - sänkor och källor för kraftfält som elektriska laddningar eller polerna på en magnet. Du kan visualisera en elektrisk fyrpol genom att föreställa dig laddningar på varje hörn av en kvadrat som alternerar positivt-negativt-positivt-negativt när du går längs omkretsen.

Det faktum att kurvtagningen härrör från fyrpolsfysik istället för dipolernas fysik – dvs. arrangemang av bara två poler – betyder att det är en topologisk effekt av högre ordning.

Även om kurvtagningseffekten har observerats i akustiska system och mikrovågssystem tidigare, det nya verket är första gången det har observerats i ett optiskt system, säger JQI Fellow Mohammad Hafezi, tidningens seniorförfattare. "Vi har utvecklat integrerade fotoniska kiselsystem för att förverkliga idéer som härrör från topologi i ett fysiskt system, ", säger Hafezi. "Det faktum att vi använder komponenter som är kompatibla med nuvarande teknik betyder att, om dessa system är robusta, de skulle möjligen kunna översättas till omedelbara tillämpningar."

I det nya verket, laserljus injiceras i ett rutnät av resonatorer – räfflade slingor i kislet som begränsar ljuset till ringar. Genom att placera resonatorerna på noggrant uppmätta avstånd, det är möjligt att justera interaktionen mellan intilliggande resonatorer och ändra vägen som ljuset tar genom nätet.

Den kumulativa effekten är att ljuset i mitten av chipet stör sig själv, vilket gör att det mesta av ljuset som injiceras i chippet spenderar sin tid i de fyra hörnen.

Ljus har ingen elektrisk laddning, men närvaron eller frånvaron av ljus i en given resonator ger ett slags polärt beteende. På det här sättet, mönstret av resonatorer på chipet motsvarar en samling interagerande kvadrupoler - exakt de villkor som krävs av den första förutsägelsen av topologiska materiatillstånd av högre ordning.

För att testa deras tillverkade mönster, Hafezi och hans kollegor injicerade ljus i varje hörn av chippet och tog sedan en bild av chipet med ett mikroskop. I det samlade ljuset, de såg fyra ljusa toppar, en i varje hörn av chipet.

För att visa att ljuset i hörn fångades av topologi, och inte bara ett resultat av var de injicerade lasrarna, de testade ett chip med de två nedre raderna av resonatorer förskjutna. Detta förändrade deras interaktion med resonatorerna ovan, och, åtminstone teoretiskt, ändrat var de ljusa fläckarna ska visas. De injicerade återigen ljuset i hörnen, och den här gången – precis som teorin förutspådde – dök de två nedre ljuspunkterna upp ovanför raderna av förskjutna resonatorer och inte vid de fysiska hörnen.

Trots det skydd mot små förändringar i resonatorplacering som topologin erbjuder, en sekund, mer destruktiva tillverkningsdefekter kvarstår i dessa chips. Eftersom varje resonator inte är exakt likadan, de fyra ljuspunkterna i hörnen lyser alla med lite olika frekvenser. Detta innebär att, för tillfället, chippet kanske inte är bättre än en enda resonator om det används som en källa för fotoner – de kvantpartiklar av ljus som många hoppas kunna utnyttja som bärare av kvantinformation i framtida enheter och nätverk.

"Om du har många källor som tvingas av topologi att spotta ut identiska fotoner, då kan du störa dem, och det skulle vara en spelomvandlare, säger Sunil Mittal, uppsatsens huvudförfattare och postdoktor vid JQI. "Jag hoppas att det här arbetet faktiskt lockar teoretiker att fundera på att kanske leta efter modeller som är okänsliga för denna kvardröjande störning i resonatorfrekvenser."