Nederländska forskare vid AMOLF och TU Delft har sett ljus föröka sig i ett speciellt material utan reflektioner. Materialet, en fotonisk kristall, består av två delar som var och en har ett något annorlunda mönster av perforeringar. Ljus kan sprida sig längs gränsen mellan dessa två delar på ett speciellt sätt:Det är "topologiskt skyddat, "och studsar därför inte tillbaka vid brister. Även när gränsen bildar ett skarpt hörn, ljuset följer det utan problem.

"För första gången, vi har sett dessa fascinerande ljusvågor röra sig i den teknologiskt relevanta skalan av nanofotonik, "säger Ewold Verhagen, gruppledare på AMOLF. Resultaten kommer i den 6 mars numret av Vetenskapliga framsteg .

Topologiska isolatorer:specialelektronik

Verhagen och hans medarbetare Kobus Kuipers från TU Delft inspirerades av elektroniskt material, där så kallade topologiska isolatorer bildar en ny klass av material med anmärkningsvärt beteende. Om de flesta material antingen är ledande för elektroner eller inte (vilket gör dem till en isolator), topologiska isolatorer uppvisar en konstig form av ledning. "Insidan av en topologisk isolator tillåter inte elektronutbredning, men längs kanten, elektroner kan röra sig fritt, "säger Verhagen." Det viktigaste är att ledningen är 'topologiskt skyddad'; elektronerna påverkas inte av störningar eller brister som vanligtvis återspeglar dem. Så ledningen är djupt robust. "

Översättning till fotonik

Under det senaste decenniet har forskare har försökt hitta detta beteende även för ledning av ljus. "Vi ville verkligen uppnå topologiskt skydd för ljusutbredning i nanoskala och därmed öppna dörren för att styra ljus på optiska chips utan att det hindras av spridning vid brister och skarpa hörn, säger Verhagen.

För deras experiment, forskarna använde tvådimensionella fotoniska kristaller med två lite olika hålmönster. 'Kanten' som möjliggör ljusledning är gränssnittet mellan de två hålmönstren. "Ljusledning vid kanten är möjlig eftersom den matematiska beskrivningen av ljus i dessa fotoniska kristaller kan beskrivas med specifika former, eller mer exakt genom topologi, "Säger Kuipers. Topologin för de två olika hålmönstren skiljer sig åt och just denna egenskap tillåter ljusledning vid gränsen, liknande elektroner i topologiska isolatorer. Eftersom topologin för båda hålmönstren är låst, ljusledning kan inte återkallas; det är 'topologiskt skyddat'. "

Imaging topologiskt ljus

Forskarna lyckades avbilda ljusutbredning med ett mikroskop och såg att det betedde sig som förutsagt. Dessutom, de bevittnade topologin, eller matematisk beskrivning, i det observerade ljuset. Kuipers säger, "För dessa ljusvågor roterar ljusets polarisation i en viss riktning, analogt med elektronernas snurr i topologiska isolatorer. Ljusets rotationsriktning bestämmer i vilken riktning detta ljus sprider sig. Eftersom polarisering inte lätt kan förändras, ljusvågen kan till och med flöda runt skarpa hörn utan att reflektera eller spridas, som skulle hända i en vanlig vågledare.

Teknisk relevans

Forskarna är de första som direkt observerar spridningen av topologiskt skyddat ljus på den tekniskt relevanta skalan av nanofotoniska chips. Genom att avsiktligt använda kiselchips och ljus med liknande våglängd som används inom telekommunikation, Verhagen räknar med att öka ansökningsmöjligheterna.

"Vi ska nu undersöka om det finns några praktiska eller grundläggande gränser för topologiskt skydd och vilka funktioner på ett optiskt chip vi kan förbättra med dessa principer. Det första vi tänker på är att göra de integrerade ljuskällorna på ett fotoniskt chip mer tillförlitlig. Detta är viktigt med tanke på energieffektiv databehandling eller "grön IKT". "

Också, det topologiska skyddet av ljus kan vara användbart för att effektivt överföra små paket med kvantinformation.