Figur 1. Den rumsliga intensitetsprofilen för en laserstråle som fortplantar sig i ett olinjärt medium blir spontant olikformig på grund av modulationsinstabilitetsprocessen. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Vi är mest bekanta med materiens fyra konventionella faser:fast, flytande, gas, och plasma. Växlingar mellan två faser, känd som fasövergångar, kännetecknas av plötsliga förändringar i materialegenskaper såsom densitet. Under de senaste decennierna har en stor mängd fysikforskning ägnats åt att upptäcka nya okonventionella faser av materia, som vanligtvis uppstår vid ultralåga temperaturer eller i specialstrukturerade material. Exotiska "topologiska" faser uppvisar egenskaper som bara kan förändras på ett kvantiserat (stegvis) sätt, vilket gör dem i sig robusta mot föroreningar och defekter.
Förutom topologiska tillstånd av materia, topologiska faser av ljus kan uppstå i vissa optiska system såsom fotoniska kristaller och optiska vågledaruppsättningar. Topologiska ljustillstånd är av intresse eftersom de kan utgöra grunden för framtida energieffektiva ljusbaserade kommunikationstekniker såsom lasrar och integrerade optiska kretsar.
Dock, vid höga intensiteter kan ljus modifiera egenskaperna hos det underliggande materialet. Ett exempel på ett sådant fenomen är de skador som högeffektlasrarna kan orsaka på speglarna och linserna. Detta påverkar i sin tur ljusets utbredning, bildar en icke-linjär återkopplingsslinga. Icke-linjära optiska effekter är väsentliga för driften av vissa enheter såsom lasrar, men de kan leda till uppkomsten av oordning från ordning i en process som kallas modulationsinstabilitet, som visas i figur 1. Att förstå samspelet mellan topologi och olinjäritet är ett fascinerande ämne för pågående forskning.
Daniel Leykam, Aleksandra Maluckov, och Sergej Flach vid Centrum för teoretisk fysik av komplexa system (PCS) inom Institutet för grundvetenskap (IBS, Sydkorea), tillsammans med sina kollegor Ekaterina Smolina och Daria Smirnova från Institutet för tillämpad fysik, Ryska vetenskapsakademin och Australian National University, har föreslagit en ny metod för att karakterisera topologiska faser av ljus med användning av icke-linjära instabiliteter som uppvisas av ljusa ljusstrålar. Denna forskning publicerades i Fysiska granskningsbrev .
Figur 2. Fjärrfältspolarisationsprofil för laserstrålar efter att den modulationsinstabilitet har utvecklats. Triviala och icke-triviala topologiska faser kan särskiljas genom att räkna antalet virvlar i polarisationsvinkeln. Det finns inga virvlar i den triviala fasen (vänster), och ett par motsatt laddade virvlar i den icke-triviala fasen (höger). Kredit:Institutet för grundvetenskap
I det här arbetet, forskarna tog upp den grundläggande frågan om hur topologiska faser av ljus i olinjära optiska medier genomgår processen av modulationsinstabilitet. Det visades teoretiskt att vissa egenskaper hos instabiliteten, som dess tillväxttakt, kan skilja sig mellan olika topologiska faser. Forskarna utförde numeriska simuleringar av modulationsinstabiliteten och visade att den kan användas som ett verktyg för att identifiera olika topologiska faser av ljus. Ett exempel på denna idé visas i figur 2:Medan ljusstrålarna som genereras av instabiliteten har till synes slumpmässiga intensitetsmönster, de uppvisar dold ordning i sin polarisering i form av robusta virvlar. Antalet virvlar som uppstår som ett resultat av instabiliteten kvantiseras, och de kan användas för att särskilja olika topologiska faser.
Det vanligaste sättet att identifiera topologiska faser av ljus har varit att titta på materialets kanter, där vissa optiska våglängder blir lokaliserade. Dock, en fullständig karakterisering kräver mätning av materialets bulkegenskaper, vilket är en mycket svårare uppgift. Ljuset i bulkmaterialet genomgår komplicerade vågstörningar och är mycket känsligt för defekter, som döljer dess topologiska egenskaper. kontraintuitivt, forskarna har visat hur olinjära instabiliteter kan användas för att tämja denna oönskade interferens och spontant koda materialets bulktopologiska egenskaper till ljusstrålar. Detta tillvägagångssätt ger ett enklare sätt att undersöka och kanske till och med generera topologiska ljustillstånd.
Nästa steg blir att testa detta förslag i ett experiment. Till exempel, optiska vågledarmatriser inskrivna i ett glas kommer att vara en idealisk plattform för detta ändamål. Genom att lysa en ljus pulserande laserstråle i glaset, det bör vara möjligt att direkt observera den modulerande instabiliteten och därigenom mäta de topologiska egenskaperna hos vågledaruppsättningen. Forskargruppen diskuterar för närvarande möjliga design för experimentell verifiering av sin teori med medarbetare.
