topologische effecten, zoals die gevonden worden in kristallen waarvan het oppervlak elektriciteit geleidt terwijl hun massa dat niet doet, zijn de afgelopen jaren een opwindend onderwerp van natuurkundig onderzoek geweest en waren het onderwerp van de 2016 Nobelprijs voor de natuurkunde. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het MIT en elders heeft nieuwe topologische fenomenen gevonden in een andere klasse van systemen:open systemen, waar energie of materiaal kan binnendringen of worden uitgestoten, in tegenstelling tot gesloten systemen zonder een dergelijke uitwisseling met de buitenwereld.

Dit zou een aantal nieuwe gebieden van fundamenteel natuurkundig onderzoek kunnen openen, het team zegt, en kan uiteindelijk leiden tot nieuwe soorten lasers en andere technologieën.

De resultaten worden deze week gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap , in een paper van Hengyun "Harry" Zhou, recent afgestudeerd aan het MIT, MIT gastonderzoeker Chao Peng (een professor aan de Universiteit van Peking), MIT-afgestudeerde student Yoseob Yoon, recente MIT-afgestudeerden Bo Zhen en Chia Wei Hsu, MIT-professor Marin Soljačić, de Francis Wright Davis hoogleraar natuurkunde John Joannopoulos, de Haslam en Dewey hoogleraar scheikunde Keith Nelson, en de Lawrence C. en Sarah W. Biedenharn Assistent-professor voor loopbaanontwikkeling Liang Fu.

In het meeste onderzoek op het gebied van topologische fysische effecten, Soljačić zegt, zogenaamde "open" systemen - in natuurkundige termen, deze staan ​​bekend als niet-Hermitische systemen - werden niet veel bestudeerd in experimenteel werk. De complexiteit van het meten of analyseren van verschijnselen waarbij energie of materie kan worden toegevoegd of verloren door straling, maakt het over het algemeen moeilijker om deze systemen op een gecontroleerde manier te bestuderen en te analyseren.

Maar in dit werk het team gebruikte een methode die deze open systemen toegankelijk maakte, en "we vonden interessante topologische eigenschappen in deze niet-Hermitische systemen, " zegt Zhou. In het bijzonder, ze vonden twee specifieke soorten effecten die onderscheidende topologische kenmerken zijn van niet-Hermitische systemen. Een daarvan is een soort bandfunctie die ze een bulk Fermi-boog noemen, en de andere is een ongebruikelijk soort veranderende polarisatie, of oriëntatie van lichtgolven, uitgezonden door het fotonische kristal dat voor het onderzoek werd gebruikt.

Fotonische kristallen zijn materialen waarin miljarden zeer precies gevormde en georiënteerde kleine gaatjes zijn gemaakt, waardoor licht op ongebruikelijke manieren met het materiaal interageert. Dergelijke kristallen zijn actief bestudeerd vanwege de exotische interacties die ze veroorzaken tussen licht en materie, die het potentieel bieden voor nieuwe soorten op licht gebaseerde computersystemen of lichtgevende apparaten. Maar hoewel veel van dit onderzoek is gedaan met gesloten, Hermitische systemen, de meeste potentiële toepassingen in de echte wereld hebben betrekking op open systemen, dus de nieuwe waarnemingen van dit team kunnen hele nieuwe onderzoeksgebieden openen, zeggen de onderzoekers.

Fermi-bogen, een van de unieke fenomenen die het team ontdekte, trotseren de algemene intuïtie dat energiecontouren noodzakelijkerwijs gesloten krommen zijn. Ze zijn eerder waargenomen in gesloten systemen, maar in die systemen vormen ze zich altijd op de tweedimensionale oppervlakken van een driedimensionaal systeem. In het nieuwe werk Voor de eerste keer, de onderzoekers vonden een Fermi-boog die zich in het grootste deel van een systeem bevindt. Deze bulk Fermi-boog verbindt twee punten in de emissierichtingen, die bekend staan ​​als uitzonderlijke punten - een ander kenmerk van open topologische systemen.

Het andere fenomeen dat ze waarnamen, bestaat uit een lichtveld waarin de polarisatie verandert volgens de emissierichting, geleidelijk een halve draai vormen als men de richting langs een lus volgt en terugkeert naar het startpunt. "Als je om dit kristal heen gaat, de polarisatie van het licht keert eigenlijk om, "zegt Zhou.

Deze halve draai is analoog aan een Möbius strip, hij legt uit, waarin een strook papier een halve slag wordt gedraaid voordat deze aan het andere uiteinde wordt aangesloten, het creëren van een band die maar één kant heeft. Deze Möbius-achtige draai in lichtpolarisatie, Zhen zegt, zou in theorie kunnen leiden tot nieuwe manieren om de hoeveelheid data die via glasvezelverbindingen kan worden verzonden, te vergroten.

Het nieuwe werk is "voornamelijk van wetenschappelijk belang, in plaats van technologisch, " zegt Soljačić. Zhen voegt eraan toe dat "we nu deze zeer interessante techniek hebben om de eigenschappen van niet-Hermitische systemen te onderzoeken." Maar er is ook een mogelijkheid dat het werk uiteindelijk tot nieuwe apparaten kan leiden, met inbegrip van nieuwe soorten lasers of lichtgevende apparaten, ze zeggen.

De nieuwe bevindingen zijn mogelijk gemaakt door eerder onderzoek door veel van dezelfde teamleden, waarin ze een manier vonden om licht verstrooid door een fotonisch kristal te gebruiken om directe beelden te produceren die de energiecontouren van het materiaal onthullen, in plaats van die contouren indirect te moeten berekenen.

"We hadden het vermoeden" dat dergelijk gedrag met een halve draai mogelijk was en "behoorlijk interessant, " Soljačić zegt, maar eigenlijk was het vinden ervan "behoorlijk zoeken om erachter te komen, hoe krijgen we dat voor elkaar?"

"Misschien is het meest ingenieuze aspect van dit werk dat de auteurs het feit gebruiken dat hun systeem noodzakelijkerwijs fotonen moet verliezen, wat meestal een obstakel en ergernis is, toegang te krijgen tot nieuwe topologische fysica, " zegt Mikael Rechtsman, een assistent-professor natuurkunde aan de Pennsylvania State University die niet bij dit werk betrokken was. "Zonder het verlies ... zou dit zeer complexe 3D-fabricagemethoden hebben vereist die waarschijnlijk niet mogelijk zouden zijn geweest." Met andere woorden, hij zegt, de techniek die ze ontwikkelden "gaf hen toegang tot 2D-fysica die conventioneel voor onmogelijk werd gehouden."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.