Nieuw onderzoek door een team van City College of New York heeft een nieuwe manier ontdekt om twee verschillende toestanden van materie te combineren. Voor een van de eerste keren topologische fotonen—licht—is gecombineerd met roostertrillingen, ook wel fononen genoemd, om hun verspreiding op een robuuste en controleerbare manier te manipuleren.

De studie maakte gebruik van topologische fotonica, een opkomende richting in fotonica die gebruikmaakt van fundamentele ideeën van het wiskundige veld van topologie over geconserveerde hoeveelheden - topologische invarianten - die constant blijven bij het wijzigen van delen van een geometrisch object onder continue vervormingen. Een van de eenvoudigste voorbeelden van dergelijke invarianten is het aantal gaten, die, bijvoorbeeld, maakt donut en mok equivalent vanuit topologisch oogpunt. De topologische eigenschappen geven fotonen heliciteit, wanneer fotonen draaien terwijl ze zich voortplanten, wat leidt tot unieke en onverwachte kenmerken, zoals robuustheid tegen defecten en unidirectionele voortplanting langs grensvlakken tussen topologisch verschillende materialen. Dankzij interacties met trillingen in kristallen, deze spiraalvormige fotonen kunnen vervolgens worden gebruikt om infrarood licht samen met trillingen te kanaliseren.

De implicaties van dit werk zijn breed, in het bijzonder waardoor onderzoekers Raman-spectroscopie kunnen bevorderen, die wordt gebruikt om de trillingsmodi van moleculen te bepalen. Het onderzoek is ook veelbelovend voor vibrationele spectroscopie - ook bekend als infraroodspectroscopie - die de interactie van infraroodstraling met materie meet door middel van absorptie, uitstoot, of reflectie. Dit kan vervolgens worden gebruikt om chemische stoffen te bestuderen, te identificeren en te karakteriseren.

"We koppelden schroefvormige fotonen aan roostertrillingen in hexagonaal boornitride, het creëren van een nieuwe hybride materie die fonon-polaritonen wordt genoemd, " zei Alexander Khanikaev, hoofdauteur en natuurkundige met aansluiting bij CCNY's Grove School of Engineering. "Het is half licht en half trillingen. Aangezien infrarood licht en roostertrillingen worden geassocieerd met warmte, we creëerden samen nieuwe kanalen voor de verspreiding van licht en warmte. Typisch, roostertrillingen zijn zeer moeilijk te beheersen, en hen rond gebreken en scherpe hoeken leiden was voorheen onmogelijk."

De nieuwe methodologie kan ook gerichte stralingswarmteoverdracht implementeren, een vorm van energieoverdracht waarbij warmte wordt afgevoerd via elektromagnetische golven.

"We kunnen kanalen met een willekeurige vorm creëren om deze vorm van hybride licht- en materie-excitaties te laten leiden binnen een tweedimensionaal materiaal dat we hebben gecreëerd, " voegde Dr. Sriram Guddala toe, postdoctoraal onderzoeker in de groep van Prof. Khanikaev en de eerste auteur van het manuscript. "Deze methode stelt ons ook in staat om de voortplantingsrichting van trillingen langs deze kanalen te veranderen, vooruit of achteruit, eenvoudig door de polarisaties van de invallende laserstraal te veranderen. interessant, terwijl de fonon-polaritonen zich voortplanten, de trillingen roteren ook mee met het elektrische veld. Dit is een geheel nieuwe manier om roostertrillingen te geleiden en te roteren, waardoor ze ook spiraalvormig zijn."

Getiteld "Topologische fonon-polariton-trechters in mid-infrarode meta-oppervlakken, " de studie verschijnt in het tijdschrift Wetenschap .