Onderzoekers van het Joint Quantum Institute (JQI) hebben de eerste siliciumchip gemaakt die het licht op betrouwbare wijze tot in de vier hoeken kan beperken. Het effect, die ontstaat door interfererende optische paden, wordt niet veranderd door kleine defecten tijdens de fabricage en kan uiteindelijk de creatie van robuuste bronnen van kwantumlicht mogelijk maken.

Die robuustheid is te danken aan topologische fysica, die de eigenschappen beschrijft van materialen die ongevoelig zijn voor kleine veranderingen in de geometrie. De bocht van het licht, die werd gemeld op 17 juni in Natuurfotonica , is een realisatie van een nieuw topologisch effect, voor het eerst voorspeld in 2017.

Vooral, het nieuwe werk is een demonstratie van quadrupool topologische fysica. Een quadrupool is een opstelling van vier polen - putten en bronnen van krachtvelden zoals elektrische ladingen of de polen van een magneet. Je kunt een elektrische quadrupool visualiseren door je op elke hoek van een vierkant ladingen voor te stellen die positief-negatief-positief-negatief afwisselen terwijl je langs de omtrek gaat.

Het feit dat de bochten voortkomen uit quadrupoolfysica in plaats van de fysica van dipolen, dat wil zeggen, arrangementen van slechts twee polen - betekent dat het een topologisch effect van hogere orde is.

Hoewel het bochteneffect eerder is waargenomen in akoestische en microgolfsystemen, het nieuwe werk is de eerste keer dat het is waargenomen in een optisch systeem, zegt JQI-collega Mohammad Hafezi, senior auteur van de krant. "We hebben geïntegreerde siliciumfotonische systemen ontwikkeld om ideeën te realiseren die zijn afgeleid van topologie in een fysiek systeem, ", zegt Hafezi. "Het feit dat we componenten gebruiken die compatibel zijn met de huidige technologie, betekent dat, als deze systemen robuust zijn, ze kunnen mogelijk worden vertaald in onmiddellijke toepassingen."

In het nieuwe werk laserlicht wordt geïnjecteerd in een raster van resonatoren - gegroefde lussen in het silicium die het licht beperken tot ringen. Door de resonatoren op zorgvuldig afgemeten afstanden te plaatsen, het is mogelijk om de interactie tussen naburige resonatoren aan te passen en het pad dat licht door het raster neemt te veranderen.

Het cumulatieve effect is dat het licht in het midden van de chip met zichzelf interfereert, waardoor het meeste licht dat in de chip wordt geïnjecteerd zijn tijd doorbrengt op de vier hoeken.

Licht heeft geen elektrische lading, maar de aan- of afwezigheid van licht in een bepaalde resonator zorgt voor een soort polair gedrag. Op deze manier, het patroon van resonatoren op de chip komt overeen met een verzameling op elkaar inwerkende quadrupolen - precies de voorwaarden die vereist zijn voor de eerste voorspelling van topologische toestanden van hogere orde.

Om hun verzonnen patroon te testen, Hafezi en zijn collega's injecteerden licht in elke hoek van de chip en maakten vervolgens een afbeelding van de chip met een microscoop. In het verzamelde licht, ze zagen vier heldere pieken, één op elke hoek van de chip.

Om aan te tonen dat het in de hoek staande licht werd gevangen door topologie, en niet alleen een resultaat van waar ze de lasers injecteerden, ze testten een chip met de onderste twee rijen resonatoren verschoven. Dit veranderde hun interacties met de resonatoren hierboven, en, althans theoretisch veranderd waar de lichtpuntjes zouden moeten verschijnen. Ze injecteerden opnieuw het licht op de hoeken, en deze keer - net zoals de theorie voorspelde - verschenen de onderste twee lichtpunten boven de rijen verschoven resonatoren en niet in de fysieke hoeken.

Ondanks de bescherming tegen kleine veranderingen in de plaatsing van de resonator die wordt geboden door de topologie, een seconde, meer destructief fabricagedefect blijft in deze chips. Omdat elke resonator niet precies hetzelfde is, de vier lichtpunten op de hoeken schijnen allemaal met iets andere frequenties. Dit betekent dat, op dit moment, de chip is misschien niet beter dan een enkele resonator als hij wordt gebruikt als een bron van fotonen - de kwantumdeeltjes van licht die velen hopen te gebruiken als dragers van kwantuminformatie in toekomstige apparaten en netwerken.

"Als je veel bronnen hebt die door topologie worden gedwongen om identieke fotonen uit te spugen, dan zou je ze kunnen storen, en dat zou een game-changer zijn, " zegt Sunil Mittal, de hoofdauteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker bij JQI. "Ik hoop dat dit werk theoretici ertoe aanzet om na te denken over misschien het zoeken naar modellen die ongevoelig zijn voor deze aanhoudende stoornis in resonatorfrequenties."