In het afgelopen decennium, een nieuw soort materiaal trekt steeds meer aantrekkingskracht:de zogenaamde topologische isolator. Deze klasse van materialen vertoont een zeer eigenaardige eigenschap:ze gedragen zich als isolatoren in het interieur, maar bevatten geleidende staten aan hun grenzen. Aangezien deze toestanden "topologisch" beschermd zijn (zie hieronder), de staten zijn zeer robuust tegen onvolkomenheden, en elektrische stromen kunnen bijna zonder enige dissipatie stromen. Dit maakt deze materialen uitermate interessant voor de taak van kwantumcommunicatie en kwantumcomputing, bijvoorbeeld.

Nu Dr. Tao Shi (momenteel Chinese Academie van Wetenschappen, Beijing) en Prof. Ignacio Cirac van het Max Planck Instituut voor Quantum Optica in Garching, samen met Prof. Jeff Kimble van het California Institute of Technology (Pasadena, VS), hebben een gedetailleerd schema ontwikkeld voor een experimentele opstelling om een ​​2-dimensionale topologische isolator te realiseren met klassieke optische netwerken ( Proceedings van de National Academy of Sciences , AOP 10 oktober 2017). "In dit netwerk fotonmodi spelen de rol van de elektronische toestanden in een laag in vaste toestand, " legt Dr. Tao Shi uit. "Door chirale fotonmodi aan de grens voor te bereiden, kunnen we misschien een eenrichtings elektromagnetische golfgeleider bouwen, waarin licht zich maar in één richting kan voortplanten, terwijl de tegenovergestelde richting is verboden."

Vaste-stofkristallen worden gekenmerkt door hun bandstructuur. In het geval van een isolator, de zogenaamde valentieband, waarin alle elektronische toestanden bezet zijn, wordt gescheiden van de geleidingsband door een grote verboden zone. Dit, echter, geldt alleen voor oneindige steekproeven. In het geval van een ingesloten kristal of laag, de elektronische toestanden aan het oppervlak of de rand, respectievelijk, verschillen van die in het interieur, en soms duiken ze op in het midden van de verboden zone. Omdat de vorm van de bandstructuur wiskundig wordt beschreven door een bepaald topologisch getal, deze systemen worden in het kort "topologische isolatoren" genoemd.

De chiraliteit van de randtoestanden is gekoppeld aan de spin van het elektron, en wordt bijgevolg beschermd door tijdomkeringssymmetrie:een omgekeerde richting zou een omkering van de spinrichting impliceren. Voor een bepaalde klasse van materialen met een "niet-triviaal" topologisch nummer is dit niet toegestaan. Daarom, de toestanden zijn beschermd en robuust tegen onvolkomenheden of vervormingen, zolang de verstoringen klein zijn. In een bepaalde klasse van elektronische 2-dimensionale topologische isolatoren kan ook het zogenaamde quantum spin Hall (QSH) effect worden waargenomen. Intuïtief, dit effect beschrijft het fenomeen dat elektronen met verschillende spins worden blootgesteld aan tegengesteld gerichte magnetische velden.

Anders dan eerdere regelingen, de wetenschappers stellen een opstelling voor die bestaat uit optische passieve elementen zoals vezels, bundelsplitsers, en golfplaten, waardoor systeemverliezen voor een groot deel worden verminderd. Door de knooppunten van het netwerk te construeren met een "slechte" holte, d.w.z. een holte met hoge demping, ze zijn in staat om de topologische bandgap drastisch te vergroten tot de schaal van het vrije spectrale bereik. Als gevolg hiervan, de randmodi overleven in het grotere frequentiedomein met een veel langere levensduur. Verder, het samenspel tussen de topologie en de niet-lineariteit van Kerr leidt tot het genereren van samengedrukte randmodi.

"De optische analoog van een topologische isolator maakt de weg vrij voor het bouwen van de eenrichtingsgolfgeleider, Dr. Shi benadrukt. "Buiten dat - ons uiteindelijke doel is om het fractionele quantum Hall-effect (FQHE) in dit fotonische systeem te realiseren. Hiertoe, we moeten sterke foton-foton interacties induceren door middel van atomen. We zouden ook graag enkele exotische topologische fasen in het fotonische systeem zien, die heel anders kunnen zijn dan die waargenomen in conventionele systemen van gecondenseerde materie."