I ett system med en dåligt definierad topologi kan antalet kantvågor som fortplantar sig inåt till någon förbindelsepunkt skilja sig från antalet kantvågor som utbreder sig i riktningen utåt. Den dåligt definierade topologin kan användas för att abrupt stoppa vågutbredningen vid en topologisk singularitet med en massiv fältförstärkning. Kredit:D. Fernandes och M. Silveirinha, Tecnico Lisboa.
Topologiska idéer har nyligen tagit centrum för modern elektromagnetik. Typiska topologiska fotoniska system är baserade på icke-reciproka material, en klass av material som möjliggör asymmetriska ljus-materia-interaktioner. I synnerhet kan icke-ömsesidiga plattformar stödja enkelriktade kanaler som tillåter utbredning i en given rymdriktning – låt oss säga från vänster till höger, men inte tvärtom. Sådana enkelriktade styrningar är av nyckelvikt i optiska system eftersom deras modulära konstruktioner involverar envägsinteraktioner som kräver optisk isolering av de olika modulerna.
Även om de topologiska egenskaperna hos ett material har sina rötter i abstrakta matematiska begrepp, kan de destilleras på ett enkelt fysiskt sätt. Tänk på problemet med att sammankoppla ett antal olika icke-ömsesidiga material - låt oss säga fem, till exempel, vid någon knutpunkt, som skivor av en paj. Alla material arbetar i ett frekvensbandsgap där de inte stöder utbredning i sina bulkregioner. Emellertid kan vart och ett av gränssnitten stödja ett visst antal enkelriktade kanttillstånd, som kan fortplanta sig antingen mot förbindelsepunkten eller bort från den.
Att påstå att ett system är topologiskt är ett sofistikerat sätt att säga att det i den beskrivna situationen för de pajliknande gränssnittsmaterialen är omöjligt att utforma en konstruktion där antalet inkommande strålningskanaler skiljer sig från antalet utgående kanaler. Med andra ord, i topologiska system finns det tvångsmässig balans mellan antalet inkommande kanaler och antalet utgående kanaler, analogt med bevarandet av ström i Kirchhoffs kretslagar. Faktum är att om antalet inkommande och utgående kanaler kunde vara olika, skulle det vara möjligt att utforma en excitation som kontinuerligt skulle överföra energi från en källa till förbindelsepunkten. I en sådan situation kan en termodynamisk jämvikt uppnås endast om energin som anländer till korsningen försvinner som värme.
a) Koppling mellan olika bulkmaterial som delar ett gemensamt bandgap. I ett topologiskt system är antalet inkommande kantkanaler och antalet utgående kantkanaler exakt detsamma. b) Ett system med en dåligt definierad topologi är inte bundet av den begränsningen. Den dåligt definierade topologin kan användas för att abrupt stoppa vågutbredning vid en topologisk singularitet. Kredit:D. Fernandes och M. Silveirinha, Tecnico Lisboa.
Nu, som rapporterats i Avancerad fotonik , har forskare visat att ett sådant konstruerat scenario verkligen kan observeras i realistiska fysiska system. De utforskar det faktum att icke-reciproka system med en kontinuerlig översättningssymmetri har en dåligt definierad topologi. De visar att, i motsats till vad man tror, är en korsning av icke-ömsesidiga material inte nödvändigtvis bunden av någon balanserande begränsning av antalet in/ut-kanaler.
Teamet verifierade experimentellt att, genom att para två vågledare, en med en dåligt definierad topologi och en annan med en väldefinierad topologi, är det möjligt att få ett kantläge att omedelbart stanna vid korsningen mellan vågledarna, vilket skapar en topologisk säregenhet. Vågen stoppas i sina spår vid singulariteten, som kan avbildas som en energisänka där all inkommande energi koncentreras och så småningom försvinner vid en enda punkt i rymden. Dessa spännande utvecklingar föreslår ett nytt sätt att uppnå topologiska singulariteter som har extrema vågfenomen. Detta kan vara användbart för energiskörd och för att förbättra olinjära effekter. + Utforska vidare
