Hittills har fysiker främst studerat topologiska faser i konservativt kopplade system. Det är system med dynamik som inte försvinner och ett fasutrymme som inte krymper över tiden. De står i skarp kontrast till dissipativa system, som är termodynamiskt öppna system (d.v.s. fungerar utanför termodynamisk jämvikt) kännetecknade av dynamik som kan försvinna över tiden.

Forskare vid California Institute of Technology, Stanford University och andra institut världen över har nyligen introducerat och experimentellt demonstrerat topologiska faser i ett dissipativt kopplat system. Deras artikel, publicerad i Nature Physics , skulle i slutändan kunna informera om utvecklingen av ny teknik som är mindre mottaglig för tillverkningsfel.

"Våra dissipativt kopplade topologiska faser manifesterar icke-trivial topologi i ett systems avledningsegenskaper:ett fundamentalt nytt koncept som vi kallar topologisk försvinnande," sa Alireza Marandi, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Topologisk spridning presenterar en ny studieriktning för topologisk fysik och har potential att inspirera till nya enheter för solid-state elektronik, fononik och fotonik som är immuna mot miljöbrus och motståndskraftiga mot tillverkningsfel."

Förutom att demonstrera topologiska faser i ett dissipativt system, realiserade Marandi och hans kollegor en experimentell plattform som kunde förbättra studiet av topologisk fysik. Mer specifikt använde de tidsmultiplexerade resonatornätverk för att skapa en storskalig, flexibel plattform för att studera topologisk fotonik.

"I vår artikel visar vi upp några av plattformens möjligheter, till exempel i samma installation utan några hårdvaruändringar, vi kan ändra gränsvillkoren och byta från ett topologiskt gitter till ett trivialt gitter mitt i experimentet och studera exotiska dynamik," förklarade Marandi. "Vår plattform är lätt skalbar till ännu fler syntetiska dimensioner och kan implementera komplexa långdistanskopplingar, vilket ger en enkel mall för att studera fysik i tätt sammankopplade gitter och i fyra eller fler dimensioner."

Plattformen designad av Marandi och hans kollegor består av ett nätverk av fotoniska resonatorer, sammanlänkade med "avledande" anslutningar. Detta betyder i huvudsak att var och en av vägarna som förbinder resonatorerna kan läcka några fotoner och få dem att lämna nätverket, beroende på hur ljuset i anslutningen stör ljuset i resonatorerna (t.ex. konstruktivt eller destruktivt). I mer tekniska termer beror försvinnandet av nätverket som skapats av forskarna på dess supermode och på hur detta supermod är upphetsat.

"Vi har analytiskt visat att i ett rent dissipativt kopplat nätverk, när nätverket representerar ett gitter, ett topologiskt gitter i vårt fall, skulle förlusthastigheterna för moderna vara ekvivalenta med energibanden i gittret och vi kunde observera topologiska beteenden i dessa spridningshastigheter," sa Marandi. "Till exempel, i ett specifikt fall kunde vi observera att kvalitetsfaktorn för nätverkets supermode skulle vara topologiskt skyddad mot störningar i nätverket."

Plattformen som skapades av Marandi och hans kollegor tillverkades med hjälp av fiberoptikbaserade komponenter från hyllan och drevs med en kortpulslaser. För att programmera den optiska maskinen och anpassa den till ett specifikt gitter använde forskarna ett FPGA-system, en hårdvarukrets som används för att utföra logiska operationer.

Resultaten som uppnåtts av detta team av forskare skulle kunna lägga grunden för ytterligare teoretiska studier och experiment med fokus på topologiska faser i dissipativa system. Dessutom kan den dissipativt kopplade topologiska fasen som forskarna demonstrerade också vara relevant för andra fysikområden, inklusive fysik av kondenserad materia, fotonik och studiet av ultrakalla atomer.

"Dissipativt kopplade topologiska faser har robusta topologiska tillstånd med isolerade spridningshastigheter," sa Marandi. "Den här egenskapen ger också ett nytt sätt att konstruera förlusten av ett system och kan vara användbar för att designa enheter som kvantminnen, fotoniska sensorer och topologiska förstärkare."

I framtiden kan det senaste arbetet av Marandi och hans kollegor också vara av intresse för team som fokuserar på ett relativt nytt forskningsområde, nämligen icke-hermitisk topologisk fysik. Faktum är att de försvinnande egenskaperna hos de topologiska faserna de avslöjade kunde kombineras med den vinst och förlust som observerats i icke-hermitiska system för att realisera nya topologiska effekter. Dessa effekter kan i sin tur möjliggöra utvecklingen av nya, robusta och mycket kraftfulla lasrar.

"Vi planerar nu att studera grundläggande fysik som möjliggörs av flexibiliteten och skalbarheten hos vår maskin," sa Marandi. "I den riktningen studerar vi några exotiska topologiska och icke-hermitiska dynamik som har varit utom räckhåll för tidigare experimentella plattformar. Den andra forskningsriktningen som vi bedriver är relaterad till tillämpningar, eftersom vi tror att begreppet topologisk försvinnande kan vara en extra resurs för fotoniska system. Närmare bestämt utnyttjar vi för närvarande sådana topologiska faser för att skapa lägeslåsta lasrar och fotoniska sensorer." + Utforska vidare

Topologisk fotonik i fraktala gitter

© 2022 Science X Network