Fysiker från University of Rostock, Cluster of Excellence ct.qmat, Julius-Maximilians University of Würzburg och Indiana University Indianapolis (IUPUI) har för första gången visat att ljus kan fortplanta sig utan några förluster i system som interagerar med deras miljö. . Tidigare antogs det att sådana öppna system oundvikligen skulle uppvisa exponentiell förstärkning eller dämpning av ljus och därmed leda till instabilitet i systemet.
Dessa nya resultat har nyligen publicerats i Nature Materials . Fynden kan bli grunden för framtida utveckling av nya robusta kretsar för el, ljus och ljudvågor.
Oavsett om man beskriver planeternas banor eller atomens inre funktion, är ett nyckelparadigm inom fysiken bevarandet av energi. Även om olika former av energi kan omvandlas till varandra, antas den totala mängden energi vanligtvis vara konstant över tiden. Därför brukar fysiker se till att systemet de försöker beskriva inte interagerar med sin omgivning.
Ändå, som det visar sig, kan dynamiken i ett system också vara stabil om förstärkningen och förlusten av energi fördelas på ett systematiskt sätt så att de tar ut varandra under alla tänkbara förhållanden, vilket kan säkerställas genom så kallad paritet -tidssymmetri (PT).
I likhet med en video som spelas baklänges och samtidigt reflekteras i en spegel och ändå ser ut exakt som originalvideon – dvs är PT-symmetrisk – är komponenterna i systemet arrangerade på ett sådant sätt att ett utbyte av vinst och förlust av ljus genom den samtidiga speglingen och tidsomkastningen gör att systemet ser oförändrat ut.
Långt ifrån att vara ett rent akademiskt begrepp, har PT-symmetri banat väg för en djupare förståelse av öppna system.
De fascinerande fysiska fenomen som förknippas med PT-symmetri är professor Alexander Szameits och hans teams specialitet vid universitetet i Rostock. I sina anpassade fotonchip kan laserljus efterlikna beteendet hos naturliga och syntetiska material som är arrangerade i periodiska gitterstrukturer, vilket gör dem till en idealisk testbädd för en mängd olika fysikaliska teorier.
På detta sätt har professor Szameit och hans team lyckats kombinera PT-symmetri med begreppet topologi. Topologi studerar egenskaper som inte förändras trots att det underliggande systemet kontinuerligt deformeras. Sådana egenskaper gör då ett system särskilt robust mot yttre påverkan.
För sina experiment använder Szameits forskargrupp laserinskrivna fotoniska vågledare - optiska strukturer skrivna in i ett material med en laserstråle. I dessa "kretsar för ljus" realiseras så kallade topologiska isolatorer. Szameit förklarar, "Dessa isolatorer har tilldragit sig mycket uppmärksamhet de senaste åren på grund av deras fascinerande förmåga att förmedla en förlustfri ström av elektroner eller ljus längs deras gräns. Den unika förmågan att undertrycka effekten av defekter och spridning gör dem särskilt intressanta för alla typer av tekniska tillämpningar."
Men fram till nu har sådana robusta gränstillstånd ansetts vara fundamentalt inkompatibla med öppna system. I sin gemensamma ansträngning kunde forskarna från Rostock, Würzburg och Indianapolis visa att en uppenbar paradox kan lösas genom att dynamiskt fördela vinst och förlust över tiden.
Förste första författare, Ph.D. elev Alexander Fritzsche, utarbetar, "Ljuset som sprider sig längs gränsen till vårt öppna system är som en vandrare som korsar bergig terräng. Trots alla upp- och nedgångar kommer de oundvikligen att hamna tillbaka på den ursprungliga höjden av startpunkten.
"På liknande sätt kommer ljuset som utbreder sig inom den skyddade kantkanalen på vår PT-symmetriska topologiska isolator aldrig att exklusivt förstärkas eller dämpas, och kan därför behålla sin genomsnittliga amplitud samtidigt som den njuter av den fulla robustheten som topologin ger."
Dessa fynd är ett viktigt bidrag till den grundläggande förståelsen av topologiska isolatorer och öppna system, och kan öppna portarna till en ny generation av avancerade kretsar för elektricitet, ljus eller till och med ljudvågor.
Mer information: Alexander Fritzsche et al, Paritet–tidssymmetrisk fotonisk topologisk isolator, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01773-0
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av University of Rostock
