Animation som visar en topologisk soliton som roterar moturs. Laserljus som färdas genom vågledare, invecklade "trådar för ljus" huggen genom glas, interagerar med sig själv för att bilda självbärande vågmönster som kallas solitons. Solitons spiralrotation är en signatur av vågledarnas specifika form och en indikator på att anordningen är topologisk. Upphovsman:Rechtsman Laboratory, Penn State
Laserljus som färdas genom utsmyckat mikrofabricerat glas har visat sig interagera med sig själv för att bilda självbärande vågmönster som kallas solitons. Den invecklade designen tillverkad i glaset är en typ av "fotonisk topologisk isolator, "en enhet som potentiellt kan användas för att effektivisera fotonisk teknik som lasrar och medicinsk bildbehandling.
Topologiska material, som tilldelades Nobelpriset 2016, har förmågan att "skydda" flödet av vågor genom dem mot oönskade störningar och defekter. Tills nu, vår förståelse av topologiskt skydd av ljus har mestadels begränsats till ljuspartiklar som verkar oberoende, men i en ny tidning som visas den 22 maj i tidningen Vetenskap , forskare vid Penn State rapporterar att de har använt glaset för att förmedla interaktion mellan fotoner, direkt observera de grundläggande vågmönstren för dessa invecklade enheter.
"Människor är kanske mer bekanta med elektronik, men det finns en hel parallell värld av fotonik, 'när det gäller ljusets egenskaper istället för elektroner, "sa Mikael Rechtsman, Downsbrough Early Career Development Professor i fysik vid Penn State, och senior författare till tidningen. "Det finns otaliga tillämpningar av fotonik, inklusive solenergi, fiberoptik för telekommunikation, tillverkning med laserskärning, och lidar, som används, till exempel, för att hjälpa till att styra autonoma fordon. Topologiskt skydd erbjuder löftet att göra fotoniska enheter mer energieffektiva, lättare, och mer kompakt. "
Begreppet topologiskt skydd kan tillämpas elektroniskt, fotonisk, atomära och mekaniska system. Inom elektronik, till exempel, topologiskt skydd kan förbättra effektiviteten genom att få elektroner att flyta tillförlitligt genom ett material utan att spridas. För elektroner kräver detta skydd extremt kalla temperaturer, nära absolut noll, och väldigt ofta, ett starkt yttre magnetfält, men med fotoner, alla experiment kan utföras vid rumstemperatur, och eftersom fotoner inte har någon laddning, utan magnetfält.
För att utföra sina experiment, forskarna lyser en laser genom en glasbit som har en serie extremt precisa tunnlar huggen genom den, var och en med en diameter på ungefär en tiondel av ett människohår. Tunnlarna, kallas "vågledare, "agera som trådar, koncentrera ljusflödet genom dem. Vågledarna i glasstycket är placerade i ett rutnät, bildar en array, men varje vågledares väg genom glaset är inte rak - den beskrivs kanske bättre som orm, med vändningar designade av forskarna med en geometri som leder till det topologiska skyddet av ljus.
Mikroskopbild av laserskriven vågledaruppsättning (vänster) tillverkad i glas av forskare vid Penn State för att ha en geometri som leder till det topologiska skyddet av ljus. Laserljus som färdas genom det utsmyckade mikrofabricerade glaset-schematisk (till höger) visar de tredimensionella banorna för fyra vågledare i enheten-har visat sig interagera med sig själv för att bilda självbärande vågmönster som kallas solitons. Upphovsman:Rechtsman Laboratory, Penn State
"Vi var tvungna att bygga tillverkningsanläggningen i vårt laboratorium för att exakt skära de tredimensionella vågledarna genom glaset, en process som kallas femtosekundlaserskrivning, "sade Sebabrata Mukherjee, en postdoktor vid Penn State och första författare till uppsatsen. "Möjligheten att skriva tredimensionella vågledare är avgörande för att göra enheten topologisk, en egenskap som bekräftas experimentellt genom att observera det 'skyddade' enkelriktade ljusflödet längs enhetens kant. "
Genom en process som kallas "Kerr -effekten, "Glasets egenskaper ändras på grund av närvaron av det intensiva laserljuset. Denna förändring i glaset förmedlar en interaktion mellan de många fotonerna, som vanligtvis inte interagerar, sprider sig genom matrisen. När kraften ökade, ljuset kollapsade till en stråle som inte spred sig (dvs. diffraktera), utan snarare roterade i spiraler. Solitons spiralrotation är en signatur av den specifika formen på vågledarna som designats av forskarna och en indikator på att enheten är, verkligen, topologisk.
"Under normala omständigheter, fotoner är omedvetna om varandra, "sa Rechtsman." Du kan korsa två laserstrålar och ingen kommer att ändras av den andra. I vårt system, vi kunde få fotoner att interagera och bilda solitoner eftersom laserns intensitet förändrade glasets egenskaper. Fotonerna blev "medvetna" om varandra genom förändringen i deras miljö. "
Solitons är kända för att vara de mest grundläggande vågformerna i många system där interaktion medieras av den omgivande miljön.
"Teoretiskt förståelse och experimentell undersökning av solitoner i topologiska system som våra vågledaruppsättningar kommer att vara en viktig ingrediens i tillämpningen av topologiskt skydd för praktisk användning i fotoniska enheter, särskilt de som kräver hög optisk effekt, sa Rechtsman.
