Ljus kan ta del av märkliga fenomen på nanoskala. Att utforska dessa fenomen kan låsa upp sofistikerade applikationer och ge användbara insikter om samspelet mellan ljusvågor och andra material.

I en nyligen genomförd studie, forskare vid Cornell University föreslår en ny metod genom vilken ljus i nanoskala kan manipuleras och transporteras. Dessa speciella ljustransportsätt är kända för att uppstå vid finjusterade gränssnitt mellan lite olika nanomaterial. Minwoo Jung, ledande forskare i denna studie, illustrerar detta koncept genom en enkel analogi:"Ett flytande rör har ett hål i mitten, men en vanlig ballong gör det inte. Oavsett hur du klämmer den runda ballongen, den kan inte omformas som en munk - åtminstone inte utan att trycka ballongen, sticka om gummit, och återinjicera luften. Således, ett rör och en ballong är olika i sin topologi eftersom de inte är sammankopplade genom en jämn deformation."

Jung förklarar vidare att fysiker har varit intresserade av att limma två topologiskt distinkta material sida vid sida så att det ena fungerar som en ballong och det andra som ett rör. Detta innebär att, i deras gränssnitt, en process som förbinder dessa två material måste ske, ungefär som att peta/poppa/sticka om/återinjicera från en ballong till en tub. Under rätt förutsättningar, denna process kan ge upphov till en stark kanal för att överföra energi eller information längs gränssnittet. Eftersom denna process kan tillämpas på ljus (som fungerar som en bärare av energi eller information), denna gren av fysiken kallas topologisk fotonik.

Jung och hans team kombinerade det fascinerande konceptet topologisk fotonik med en innovativ teknik som fångar ljus i ett atomärt tunt material. Denna metod sammanförde två snabbt framväxande områden inom tillämpad och grundläggande fysik:grafen nanoljus och topologisk fotonik. Jung säger, "Graphene är en lovande plattform för att lagra och kontrollera ljus i nanoskala och kan vara nyckeln i utvecklingen av on-chip och ultrakompakta nanofotoniska enheter, såsom vågledare och kaviteter."

Forskargruppen körde simuleringar som involverade ett grafenark skiktat på ett nanopönstrat material som fungerar som en metagat. Denna bikakeliknande metagate består av ett fast materiallager med hål i olika storlekar, centrerad vid hexagonernas hörn. Dessa håls varierande radier påverkar sättet på vilket fotonerna passerar genom materialet. Forskarna fann att strategiskt "limma" samman två olika metagat skapar en topologisk effekt som begränsar fotoner vid deras gränssnitt i en förutsägbar, kontrollerbart sätt.

Olika val av metagate-design visar den dimensionella hierarkin för enhetens topologi. Specifikt, beroende på metagate-geometrin, nanoljus kan fås att flöda längs endimensionella kanter av det topologiska gränssnittet eller kan topologiskt lagras vid nolldimensionella (punktliknande) hörn. Dessutom, metagate möjliggör på-och-av elektrisk omkoppling av dessa vågledare eller kaviteter. Sådana batteridrivna topologiska effekter kan gynna det tekniska antagandet av topologisk fotonik i praktiska anordningar.

Jungs team är optimistiskt att den synergistiska kombinationen av grafen nanoljus och topologisk fotonik kommer att stimulera framsteg inom relevanta forskningsområden, som optik, materialvetenskap, och fasta tillståndets fysik. Deras grafenbaserade materialsystem är enkelt, effektiv, och lämplig för nanofotoniska tillämpningar:ett steg framåt i att utnyttja ljusets fulla potential.