Första 3D topologiska isolator för ljus:En skruvliknande dislokation möjliggör topologiskt skyddad transport av ljus i tre dimensioner. Kredit:Universität Rostock
Kristaller har trollbundit människor i tusentals år med sin visuella skönhet och eleganta symmetriska former, och, på senare tid, med sina många tekniska tillämpningar. I grund och botten är dessa material baserade på ett mycket regelbundet arrangemang av deras minsta beståndsdelar, och de fysikaliska egenskaperna hos kristallina material beror starkt på renheten hos deras underliggande gitter.
Men brister är inte nödvändigtvis skadliga. Till exempel kan ett stänk av atomer från intilliggande grupper i det periodiska systemet förvandla annars inerta plattor av kristallint kisel till kraftfulla elektroniska processorer som rutinmässigt utför miljarder operationer per sekund, såväl som högeffektiva solceller som kan skörda solljus till kraften dem.
Som det visar sig är begreppet diskreta system inte begränsat till fasta ämnen, eftersom samma underliggande matematiska ramverk också beskriver utvecklingen av ljus i gitter av så kallade vågledare.
Dessa "trådar för ljus" har fascinerat prof. Alexander Szameit vid universitetet i Rostock under lång tid. "Varje barn vet att ljus färdas i raka linjer. I bästa fall kan det reflekteras från en spegel eller avböjas av någon vinkel när det går in i ett glasblock eller passerar genom en lins", förklarar chefen för solid-state optikgruppen. den dagliga erfarenheten av optik.
"Det slutar aldrig att förvåna mig att ljus faktiskt kan fästas vid, och tunnla mellan, specifika banor som elektroner i en kristall", fortsätter han och beskriver grunden för sin grupps forskning. På detta sätt kan uppsättningar av vågledare spegla många aspekter av fasta tillståndets fysik och till och med ge upphov till helt nya effekter och nya funktionella strukturer.
För sitt senaste genombrott slog Rostock-fysikerna ihop med kollegor från Technion Haifa (Israel) och Zhejiang University (Kina) för att konstruera ett hittills svårfångat artificiellt optiskt material:En tredimensionell topologisk isolator (TI) för ljus.
"Topologiska isolatorer är en ny fas av materia och har bara varit kända i ett par decennier", säger författaren Dr Lukas Maczewsky. "Deras fotoniska motsvarigheter kan leda ljus runt defekter och skarpa hörn och skydda det från att spridas under processen."
Ändå rör sig ljus med otroliga hastigheter, och konventionella fotoniska plattformar måste vanligtvis offra åtminstone en av de tre rumsliga dimensionerna för att kontrollera ljusets beteende i de återstående. Följaktligen var tidigare experiment på fotoniska TI begränsade till endimensionella och plana arrangemang.
Den eleganta lösning som teamet av forskare kom fram till för att övervinna dessa begränsningar kombinerar konceptet med syntetiska dimensioner med en specifik typ av defekt – en så kallad "skruvdislokation". Denna medvetet placerade defekt förbinder kontinuerligt de individuella planen i gittret genom att vrida dem runt en central axel som liknar en korkskruv. Medförfattare och Ph.D. Student Julius Beck förklarar att "som att omvandla en lös stapel ringar till en sömlöst sammankopplad spiral, så gjorde denna avsiktliga defekt oss att skapa den första 3D-topologiska isolatorn för ljus."
Forskningen publicerades i Nature . + Utforska vidare
