Forskare från universitetet i Rostock har utvecklat en ny typ av olinjära fotoniska kretsar där intensiva ljusstrålar kan definiera sin egen väg och, genom att göra så, gör sig ogenomträngliga för yttre störningar. Denna upptäckt publicerades nyligen i den berömda tidskriften Vetenskap .

"Foton är ett oregerligt gäng, " förklarar professor Alexander Szameit, vars grupp genomförde de banbrytande experimenten. "Så fort man lyckas valla dem mot en specifik punkt i rum och tid, de skingras omedelbart igen i alla riktningar." århundraden av forskning har ägnats åt att forma ljusflödet på ett antal sätt:Linser och böjda speglar kan fokusera strålar från solen hårt. Kraftfulla lasrar genererar koherenta strålar och korta pulser av intensivt ljus. Och fiberoptiska kablar levererar häpnadsväckande mängder optiskt kodad data över hela världen. Än, ljusvågor är förvånansvärt känsliga enheter:En liten spricka i en lins, en dammflis som driver genom en laserstråle, eller en kink i fibern kan rubba de invecklade mekanismerna som omvandlar ljus till det kanske mest mångsidiga verktyget som någonsin använts av mänskligheten.

Elektroniska topologiska isolatorer - fasta ämnen som inte leder elektricitet inuti sin bulk, men samtidigt är de perfekt ledande längs sin yta – realiserades experimentellt för första gången 2007 av Laurens Molenkamp och hans team vid universitetet i Würzburg. Deras fotoniska motsvarigheter har fascinerat prof. Szameit under lång tid. "Ända sedan vår första implementering av en topologisk isolator för ljus, vi har strävat efter att upptäcka hur dessa märkliga system kan användas, " minns fysikern.

Medan fotoniska topologiska isolatorer kan leda ljus längs exakt definierade banor, och det matematiska ramverket som ligger till grund för deras design ger dem en aldrig tidigare skådad grad av robusthet mot ofullkomligheter eller yttre störningar, dessa eftertraktade fastigheter utgör också ett formidabelt hinder. "När de injicerats i en topologisk kanal, ljuspulser lider inte av spridningsförluster, men denna isolering gör dem också praktiskt taget omöjliga att kontrollera utan att bryta dem ur deras skyddande miljö, "medförfattaren Dr. Matthias Heinrich sammanfattar den utmaning som det vetenskapliga samfundet just nu står inför.

Självklart, på papper, lösningen kan tyckas självklar. "I princip, det är lätt. Allt du behöver är en omkopplare som du kan vända efter behag för att omedelbart ändra de topologiska egenskaperna hos systemet mellan två ljuspulser, " skämtar Szameit. Men, topologi är oupplösligt kopplad till det fysiska arrangemanget av vågledarkretsen, medan ultrakorta laserpulser mäts i femtosekunder (en miljondels miljarddels sekund) – många storleksordningar utom räckhåll för även de snabbaste elektroniska modulatorerna.

I nära samarbete med teoretiker från universitetet i Rostock, ICFO i Barcelona, universitetet i Lissabon och Moskvainstitutet för vetenskap och teknik, teamet av unga forskare hittade ett sätt att istället låta ljuset självt bestämma om det skulle anlita topologiskt skydd eller att bete sig som i ett konventionellt medium. "Beroende på deras högsta intensitet, optiska pulser kan bete sig på fundamentalt olika sätt, ", utvecklar Lukas Maczewsky, Ph.D. student och ledande författare till verket. "Icke-linjäritet är det magiska ordet:Inom fotonik, ibland är två plus två verkligen mer än bara fyra." Efter två år av intensiv forskning och otaliga timmar i laboratoriet vid Institute of Physics vid University Rostock, dessa ansträngningar kom att förverkligas.

Den olinjäritetsinducerade topologiska isolatorn - ett nytt syntetiskt material - tillåter ljuspulser över en viss tröskelintensitet för att etablera en transient topologisk domän i deras omedelbara närhet. Den självuttalade "Star Trek"-fansen Szameit målar upp en levande bild av den komplexa fysiken som spelar:"Precis som U.S.S. Enterprise höjer sina sköldar, den självgenererade skyddande kokongen följer ljuspulserna och bevarar dem längs deras valda väg."

Det framgångsrika internationella samarbetet har avsevärt främjat grundläggande vetenskap inom området kvantoptik och i synnerhet forskningen om fotoniska topologiska isolatorer. Tills dessa bitar kan sättas ihop till en fungerande optisk kvantdator – den heliga graal som eftersträvas av grupper runt om i världen – återstår flera utmaningar att lösa. Ändå, fysikernas senaste upptäckt lovar ett stort antal innovativa tillämpningar som topologiskt skyddad helt optisk signalbehandling och självförbättrande fotoniska neuronnät. Med tanke på den snabba utvecklingen, dessa idéer som idag kan verka som science fiction, kan snart bli verklighet.