Ny forskning från ett team från City College i New York har avslöjat ett nytt sätt att kombinera två olika tillstånd av materia. För en av de första gångerna, topologiska fotoner - ljus - har kombinerats med gittervibrationer, även känd som fononer, att manipulera deras spridning på ett robust och kontrollerbart sätt.

Studien använde topologisk fotonik, en framväxande riktning inom fotoniken som utnyttjar grundläggande idéer om det matematiska topologifältet om bevarade mängder - topologiska invarianter - som förblir konstanta när delar av ett geometriskt objekt förändras under kontinuerliga deformationer. Ett av de enklaste exemplen på sådana invarianter är antalet hål, som, till exempel, gör munk och mugg ekvivalenta ur topologisk synvinkel. De topologiska egenskaperna ger fotoner helicitet, när fotoner snurrar när de förökar sig, som leder till unika och oväntade egenskaper, såsom robusthet mot defekter och enriktad utbredning längs gränssnitt mellan topologiskt distinkta material. Tack vare interaktioner med vibrationer i kristaller, dessa spiralformade fotoner kan sedan användas för att kanalisera infrarött ljus tillsammans med vibrationer.

Konsekvenserna av detta arbete är breda, i synnerhet låta forskare avancera Raman -spektroskopi, som används för att bestämma molekylernas vibrationssätt. Forskningen lovar också vibrationsspektroskopi - även känd som infraröd spektroskopi - som mäter interaktionen mellan infraröd strålning och materia genom absorption, utsläpp, eller reflektion. Detta kan sedan användas för att studera och identifiera och karakterisera kemiska ämnen.

"Vi kopplade spiralformade fotoner med gittervibrationer i sexkantiga bornitrid, skapa en ny hybridämne som kallas fononpolaritoner, "sa Alexander Khanikaev, huvudförfattare och fysiker med anslutning till CCNY:s Grove School of Engineering. "Det är halvljus och halvvibrationer. Eftersom infrarött ljus och gittervibrationer förknippas med värme, vi skapade nya kanaler för spridning av ljus och värme tillsammans. Vanligtvis, gittervibrationer är mycket svåra att kontrollera, och att leda dem runt defekter och skarpa hörn var omöjligt förut. "

Den nya metoden kan också implementera riktad strålningsvärmeöverföring, en form av energiöverföring under vilken värme försvinner genom elektromagnetiska vågor.

"Vi kan skapa kanaler med godtycklig form för att denna form av hybridljus och exciteringar av material ska vägledas i ett tvådimensionellt material vi skapade, "tillade Dr Sriram Guddala, postdoktor i professor Khanikaevs grupp och manusförfattarens första författare. "Denna metod gör det också möjligt för oss att byta riktning för utbredning av vibrationer längs dessa kanaler, framåt eller bakåt, helt enkelt genom att byta polariseringar till hands för den infallande laserstrålen. Intressant, när fononpolaritonerna förökar sig, vibrationerna roterar också tillsammans med det elektriska fältet. Detta är ett helt nytt sätt att styra och rotera gittervibrationer, vilket också gör dem spiralformade. "

Med titeln "Topologisk fonon-polaritontrattning i mellaninfraröda metasytor, "studien visas i tidningen Vetenskap .