a-b, Partikelmönster a och motsvarande fotoniska gitter b med olika strukturella korrelationer. Det kristallina gittret har både lång- och kortdistansordning; de glasliknande gallren har en stark ordning på kort räckvidd; det vätskeliknande gitteret ger svag ordning på kort avstånd. c, Par korrelationsfunktion g(r) för de olika gittren som kvantifierar strukturell korrelation. d, Lokaliseringslängder (svarta kurvor) och transmissioner (röda kurvor) för de fotoniska gittren. De orangea områdena indikerar frekvensfönstren där topologiska kanttillstånd kan observeras. Kredit:Peiheng Zhou, Xin Ren, Yihao Yang, Haoran Xue, Lei Bi, Longjiang Deng, Yidong Chong, och Baile Zhang
Den nuvarande förståelsen av topologiska isolatorer och deras klassiska våganaloger, såsom fotoniska topologiska isolatorer, är huvudsakligen baserad på topologisk bandteori. I motsats till detta, Forskare i Kina och Singapore visade experimentellt fotoniska topologiska isolatorer baserade på glasliknande amorfa faser, för vilka bandstrukturen är dåligt definierad. Det topologiska skyddets beständighet har också visat sig vara nära relaterat till glas-till-vätska-övergången. Detta samspel mellan topologi och amorfitet banar väg för nya klasser av icke-kristallina topologiska fotoniska bandgapmaterial.
Det paradigmskiftande begreppet topologi har inte bara revolutionerat den kondenserade materiens fysik, men har också öppnat ett fundamentalt nytt kapitel inom fotonik, mekanik, akustik, och många andra områden. Inom fotonik, "fotoniska topologiska isolatorer" (PTIs), de fotoniska analogerna till elektroniska topologiska isolatorer, har möjliggjort oöverträffade spännande fotoniska funktioner som envägs robust fotonisk transport och topologiska lasrar.
Dessa topologiska system, oavsett om det är baserat på kondenserad materia eller fotonik, typiskt härleda sina topologiska egenskaper från bandstrukturer baserade på periodiska gitter. Å andra sidan, fotoniska amorfa faser utan periodiska atomgitter finns i stor utsträckning i naturen (t.ex. glas, polymerer och geler). Egenskaperna hos dessa amorfa system bestäms av kortdistansanslutningen av deras atomer/molekyler, snarare än den långsiktiga periodiciteten.
I en ny artikel publicerad i Ljusvetenskap och tillämpningar , ett team av forskare, ledd av professor Peiheng Zhou och professor Longjiang Deng från University of Electronic Science and Technology i Kina, Professor Yidong Chong och professor Baile Zhang från Nanyang Technological University har experimentellt realiserat amorfa PTI som är icke-kristallina varianter av en Chern-nummerbaserad PTI. Deras studie visar det intressanta samspelet mellan topologi och korta avstånd, speciellt under glasövergången. Chern-nummerbaserade PTI är den första typen av PTI som någonsin realiserats. Deras arbete är det första som studerar amorfa PTI med denna typ av fotonisk struktur. De finner också att utsläckningen av fotoniska topologiska kanttillstånd hänvisar till glasövergången. Dessa insikter kan vara användbara för att realisera amorfa topologiska isolatorer i andra fysiska miljöer såsom akustik.
a, Schematisk över experimentuppställningen. Topplattan innehåller cylindriska hål i fyrkantiga galler. Sondens och källdipolantennerna (1 och 2) förs in i vågledaren genom dessa hål. Tre sidor av vågledaren är inlindade med metallväggar som fungerar som perfekta elektriska ledare (PEC) gränser. Den andra sidan är täckt av mikrovågsabsorberare. vara, Uppmätt |Ez| fältfördelning i fotoniska gitter. De topologiska kanttillstånden kvarstår från kristallint PTI till amorft PTI (glasliknande 2). Kredit:Peiheng Zhou, Xin Ren, Yihao Yang, Haoran Xue, Lei Bi, Longjiang Deng, Yidong Chong, och Baile Zhang
Den amorfa PTI består av gyromagnetiska stavar som är arrangerade i datorgenererade amorfa gittermönster och magnetiskt förspända för att bryta tidsomkastningssymmetri. Genom att utföra mätningar av kant-/bulktransmission och närfältsdistribution till PTI:erna i en vågledare med parallellplatta av koppar, förekomsten av robusta topologiska kanttillstånd i de amorfa PTI:erna verifieras experimentellt innan glasövergången börjar. Genom att ytterligare deformera det amorfa gittret till ett vätskeliknande gitter, stängningen av mobilitetsgapet och försvinnandet av de topologiska kanttillstånden observeras. Dessa forskare sammanfattar funktionerna i deras topologiska system:
"Vi designade ett amorft PTI-system med tre fördelar:(1) de amorfa gittren är realiserbara i naturliga material eftersom de genereras av Molecular Dynamics Methods; (2) den fullständiga kartläggningen från kristallina till glasliknande amorfa till vätskeliknande faser ger avkastning hela utvärderingen av topologin, från uppkomst till utrotning, och tydligt fångar rollen av glas-vätska-övergången; och (3) den fotoniska plattformen kan immigreras för att verifiera andra icke-periodiska fotoniska topologiska material. "
"Det topologiska skyddet som stöds av kortdistansordningen i våra amorfa PTI:er visar anmärkningsvärd robusthet mot stora defekter, t.ex. 3 gånger den karakteristiska längden på gittren, och 90º kurvor, alla jämförbara med kristallina motsvarigheter, " lade de till.
"Det presenterade tillvägagångssättet kan användas för att utveckla specifika amorfa PTIs med önskade strukturella korrelationer, e. g. de hyperuniforma strukturer som studerats i bandgapfotoniska kristaller, eller övervaka andra icke-periodiska PTI, t.ex. kvasikristallerna eller metamaterialen. Våra resultat kommer därför att vara mycket användbara för framtida arbeten som undersöker icke-kristallina topologiska fotoniska material för nya fotoniska enheter, såsom topologiska slumpmässiga lasrar, " föreslår forskarna.
