Schematisk skildring av strukturen som utför flätningsprocessen med ljus. (a) Waveguides matrisstruktur, där ljus flätas motsatta riktningar i de två matriserna, och störde sedan; (b) diagram som visar förskjutningen av vågledarmatris koordinater som krävs för att utföra flätningsoperationen, där \ alfa betecknar vinkeln på en 'virvel i oändlighet' som är flätad runt gruppen. Kredit:Noh et al.
Fysisk teori antyder att exotiska excitationer kan existera i form av bundna tillstånd som är begränsade i närheten av topologiska defekter, till exempel, när det gäller Majorana -nollägen som är fångade i virvlar inom topologiska supraledande material. Bättre förståelse av dessa stater kan hjälpa utvecklingen av nya beräkningsverktyg, inklusive kvantteknik.
Ett fenomen som har väckt uppmärksamhet under de senaste åren är "fläta, "som uppstår när elektroner i vissa tillstånd (dvs. Majorana fermioner) flätas med varandra. Vissa fysiker har teoretiserat att detta fenomen kan möjliggöra utveckling av en ny typ av kvantteknik, nämligen topologiska kvantdatorer.
Forskare vid Pennsylvania State University, University of California-Berkeley, Iowa State University, University of Pittsburgh, och Boston University har nyligen testat hypotesen att flätning också förekommer i andra partiklar än elektroner, såsom fotoner (dvs. ljuspartiklar). I ett papper publicerat i Naturfysik , de presenterar den första experimentella demonstrationen av flätning med hjälp av fotoniska topologiska nollägen.
"Idén inspirerades av en välkänd arkitektur för att bygga en kvantdator; en som har teoretiskt förutsetts men aldrig experimentellt förverkligats, "Mikael C. Rechtsman, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "För att utföra operationer i denna tidigare teoretiserade typ av kvantdator, Majorana fermioner flyttas runt varandra - detta kallas flätning. I en tidigare teoretisk studie, några av mina kollegor förutspådde att flätning är ett allmänt fenomen som inte bara kan tillämpas på elektroner, men till fotoner, också. I vårt nya papper, vi demonstrerar detta experimentellt, med hjälp av en rad vågledare som liknar fiberoptiska kablar. "
Rechtsman och hans kollegor mätte flätfenomenets geometriska fas genom att genomföra ett experiment där två olika flätningsprocesser störde varandra. I en av dessa processer, topologiska defekter flätades medurs, medan i den andra, de flätades moturs.
Interferens är en egenskap hos vågmekanik som ofta används för att studera fysiska system. Denna funktion är ansvarig för otaliga vågrelaterade fenomen, allt från regnbågsvirvlar på tvålbubblor till gravitationella vågor.
"Vi observerade att ljuset från de två motsatta flätningsprocesserna störde destruktivt, vilket bekräftade vår teoretiska förutsägelse att processerna har en relativ flätningsfas av pi, "Thomas Schuster, en annan forskare som är involverad i studien, berättade för Phys.org. "Avgörande, på grund av den särskilt enkla åtgärden att fläta, mätningen vi samlat tillåter oss att extrapolera beteendet hos alla flätningsprocesser. Särskilt, det verifierar att när du utför flera flätor i rad, flätningens ordning. "
Rechtsman, Schuster och deras kollegor demonstrerade förekomsten av en generaliserbar flätningsprocess som de kallar icke-abelsk fläta, vilket är en enkel manifestation av en funktion som forskare har sökt efter i elektroniska system i flera år. Deras resultat tyder på att flätning kan, faktiskt, vara ett vanligt fenomen som når bortom elektroner och även gäller ljus, ljud, vatten och eventuellt till och med seismiska vågor.
Förutom att markera möjligheten att använda fotoniska gitter som en plattform för att studera topologiska defekter och deras flätning, denna studie kan inspirera andra forskargrupper att undersöka flätning i samband med andra fenomen som involverar produktion av vågor. Rechtsman, Schuster och deras kollegor planerar nu att fortsätta undersöka flätningen av fotoniska topologiska nollägen, tillsammans med andra topologiska fenomen som också kan tillämpas på ljusrelaterade system.
"Fläta är ett topologiskt fenomen som traditionellt har associerats med elektroniska enheter, "Rechtsman sa." Vi hoppas nu kunna visa att en hel klass av topologiska fenomen potentiellt kan vara användbara inte bara för elektroniska enheter, men också fotoniska enheter, som lasrar, medicinsk bildbehandling, telekommunikationssystem, och andra. Vi förväntar oss också att denna nya typ av topologisk fysik skulle kunna tillämpas på kvantinformationssystem, särskilt de baserade på fotoner. "
© 2020 Science X Network
