Topologista valon kulkua

AMOLF-tutkimusinstituutin ja TU Delftin tutkijat ovat havainnoineet valon kulkua topologisessa materiaalissa.

"Olemme ensimmäistä kertaa nähneet näin kiehtovien valoaaltojen liikkuvan nanofotonisen tekniikan kannalta merkityksellisellä tasolla", sanoo AMOLF:n ryhmäjohtaja Ewold Verhagen.

Verhagen ja hänen yhteistyökumppaninsa Kobus Kuipers TU Delftistä ovat inspiroituneet sähköisistä materiaaleista, joista ns. topologiset eristeet muodostavat uuden luokan materiaaleja, joilla on erikoinen käyttäytyminen.

Topologisen eristeen sisäpuolella elektronit eivät voi edetä mutta reunoja pitkin elektronit voivat liikkua vapaasti. Viime vuosikymmenen aikana tutkijat ovat yrittäneet löytää tämän käytöksen myös valolle.

"Halusimme todella toteuttaa valon etenemisen topologisen suojan nanomittakaavassa ja avata siten oven valon ohjaamiseen optisilla siruilla ilman, että sironta vikakohdissa ja terävissä kulmissa haittaa sitä", Verhagen sanoo.

Kokeiluissaan tutkijat käyttivät kaksiulotteisia fotonisia kiteitä, joilla oli kaksi hieman erilaista reikäkuviota.

'Reuna', joka mahdollistaa valojohtavuuden, on rajapinta kahden reikäkuvion välillä. "Valon kulku reunalla on mahdollista, koska näiden fotonisten kiteiden valon matemaattinen kuvaus voidaan kuvata erityisillä muodoilla tai tarkemmin topologialla", Kuipers sanoo. Kahden eri reikäkuvion topologia eroaa ja juuri tämä ominaisuus sallii valon etenemisen rajalla, vastaavasti kuin topologisissa eristeissä oleville elektroneille. Koska molempien reikäkuvioiden topologia on lukittu, valonjohtavuutta ei voida peruuttaa; se on topologisesti suojattu."

Tutkijat onnistuivat kuvaamaan valon etenemistä elektronimikroskoopilla ja näkivät sen käyttäytyvän ennustetulla tavalla. Lisäksi he olivat todistamassa topologiaa tai matemaattista kuvausta havaitussa valossa. Kuipers: ”Näiden valoaaltojen valon polarisaatio pyörii tiettyyn suuntaan, analogisesti topologisten eristeiden elektronien spinien kanssa. Valon pyörimissuunta määrää suunnan, jossa tämä valo etenee. Koska polarisaatio ei voi helposti muuttua, valoaalto voi virrata jopa terävien kulmien ympäri heijastumatta tai siroamatta, kuten normaalissa aaltojohdossa tapahtuisi.

”Tutkimme nyt, onko topologiselle suojalle olemassa käytännöllisiä tai perustavanlaatuisia rajoja ja mitä optisen sirun toimintoja voisimme parantaa näiden periaatteiden avulla. Ensimmäinen asia, jota ajattelemme, on tehdä fotonisirun integroiduista valonlähteistä luotettavampia. Tämä on tärkeää energiatehokkaan tietojenkäsittelyn tai ”vihreän tieto- ja viestintätekniikan” kannalta. Lisäksi pienten kvantti-informaatiopakettien tehokkaaseen siirtoon valon topologinen suojaus voi olla hyödyllinen, kommentoi Verhagen tutkimusinstituuttinsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Topologinen eriste fotonien reitittäjäksi

Topologiaa valoaalloille