Topologische isolatoren zijn exotische toestanden van materie die natuurkundigen het afgelopen decennium intensief hebben bestudeerd. Hun meest intrigerende eigenschap is dat ze rigoureus kunnen worden onderscheiden van alle andere materialen met behulp van een wiskundig concept dat bekend staat als 'topologie'. Deze wiskundige eigenschap geeft topologische isolatoren het vermogen om elektrische signalen te transporteren zonder dissipatie, via speciale kwantumtoestanden die 'topologische oppervlaktetoestanden' worden genoemd.

Echter, topologische isolatoren hoeven niet alleen met elektronen te worden gerealiseerd. Natuurkundigen hebben ook fotonische topologische isolatoren bedacht, synthetische materialen die lichtgolven geven met duidelijke topologische kenmerken, waardoor licht (in plaats van elektrische stromen) via topologische oppervlaktetoestanden kan stromen. In tegenstelling tot elektronische topologische isolatoren, fotonische topologische isolatoren kunnen gemakkelijk werken bij kamertemperatuur, onder andere voordelen. Als resultaat, fotonische topologische isolatoren kunnen toepassingen hebben in toekomstige optische apparaten, zoals high-power lasers en optische diodes.

Een team van onderzoekers van de Nanyang Technological University (NTU), Singapore, en de Zhejiang-universiteit, China, heeft de ontwikkeling aangekondigd van 's werelds eerste driedimensionale (3-D) fotonische topologische isolator. In een paper dat in een aankomend nummer van Natuur , het team meldt dat een speciaal ontworpen 3D-reeks resonatoren kan fungeren als een topologische isolator voor microgolven. Ze hebben ondubbelzinnig bewijs gevonden voor de kenmerkende topologische oppervlaktetoestanden, in de vorm van microgolven die moeiteloos langs 2D-vellen stromen die zijn ingebed in het 3D-volume van hun monster.

"Eerdere onderzoekers waren in staat om tweedimensionale fotonische topologische isolatoren te maken. Maar ondanks vele theoretische voorstellen door de jaren heen, niemand had een 3D-versie kunnen realiseren, " zegt universitair hoofddocent Baile Zhang van NTU, die het project mede begeleid heeft. Hij merkt op dat 3D-topologische isolatoren belangrijke mogelijkheden hebben, inclusief de mogelijkheid om topologische oppervlaktetoestanden langs alle mogelijke ruimtelijke richtingen te kanaliseren. In een van hun experimenten, de onderzoekers toonden aan dat microgolven efficiënt langs een 2D-oppervlak met zigzagachtige plooien kunnen worden geleid.

Het team construeerde de 3D fotonische topologische isolator uit een stapel dunne plastic platen ingebed met metalen antennes die fungeren als kleine elektromagnetische resonatoren. De belangrijkste doorbraak werd gemaakt toen ze zich realiseerden hoe de resonatoren konden worden aangepast om op een zeer specifieke manier met elektromagnetische golven te interageren, het verlenen van de golven de gewenste topologische kenmerken.

"Omdat de platen zijn gemaakt met behulp van gevestigde technologie voor het printen van printplaten, dit ontwerp is goedkoop en eenvoudig te implementeren, " legt professor Hongsheng Chen van de Zhejiang University uit, een andere co-promotor van het project. "Ter vergelijking, andere voorstellen die eerder in de wetenschappelijke literatuur zijn gepubliceerd, hadden betrekking op het gebruik van niet-standaard keramische of magnetische materialen, die erg moeilijk zijn om mee te werken als je een echt apparaat wilt maken."

Dr. Yihao Yang, een postdoctoraal onderzoeker bij NTU die de hoofdauteur van het papier was, zei dat het team in staat was een overtuigende wetenschappelijke casus op te bouwen door gedetailleerde kaarten te maken van hoe elektromagnetische golven zich binnen de fotonische topologische isolator verplaatsen. "Door voorzichtig een elektromagnetische veldsonde in het monster te steken, we hebben de veldverdelingen door het hele monster gemeten. Hierdoor konden we de 'dispersierelaties' reconstrueren die dienen als de fysieke handtekeningen van topologische isolatoren, " hij zei.

Universitair hoofddocent Yidong Chong, een ander lid van het NTU-team, merkte op dat dit werk de eerste realisatie is van een synthetische 3D-topologische isolator die niet is gebaseerd op de stroom van elektrische stroom. "Dit is een voorbeeld van de universaliteit van de natuurkunde, ' zei hij. 'Een fenomeen dat zich in één omgeving voordoet, zoals kwantummaterialen, kan worden gereproduceerd in een andere omgeving, in dit geval een kunstmatig medium voor elektromagnetische golven. Het belangrijkste ingrediënt is dat ze dezelfde vergelijkingen en theoretische concepten volgen." Hij suggereert dat de 3D fotonische topologische isolator een interessante omgeving kan bieden voor het bestuderen van fundamentele fysica, aangezien de topologische oppervlaktetoestanden worden beheerst door dezelfde vergelijkingen als massaloze 2D-elektronen die de relativiteitstheorie van Einstein gehoorzamen.

De huidige 3D fotonische topologische isolator is beperkt tot elektromagnetische golven, bij relatief lage frequenties. "Als we het kunnen schalen naar optische frequenties, dat wil zeggen golven van zichtbaar licht, er kunnen toepassingen zijn voor het maken van optische computerchips, lasers, en allerlei interessante optische apparaten, ", zegt NTU-professor Zhang.