Optische apparaten creëren, gids, en elektromagnetische golven detecteren en lasers omvatten, telescopen, en zonnecellen. De meeste materialen die in deze apparaten worden gebruikt, vormen een uitdaging voor bepaalde toepassingen vanwege een fenomeen dat bekend staat als optische wederkerigheid, een inherente symmetrie die licht dwingt om in twee richtingen te reizen. Een voorbeeld van een toepassingsgerichte uitdaging is een krachtige laser, waar terugverstrooid licht veroorzaakt door optische wederkerigheid het instrument kan beschadigen.

Een nieuwe studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie beschrijft hoe optische wederkerigheid kan worden doorbroken met behulp van inzichten uit de topologische fysica. Geïnduceerde topologische toestanden, door het materiaal nieuwe eigenschappen te geven, kan helpen bij het creëren van "one-way"-systemen voor licht om te reizen, waardoor het in de toekomst mogelijk wordt om efficiëntere optische apparaten te maken. Het onderzoek werd geleid door assistent-professor Bo Zhen en postdoc Li He in samenwerking met professor Eugene Mele en afgestudeerde studenten Zachariah Addison en Jicheng Jin, evenals professor Steven Johnson van MIT.

Hoewel er enkele natuurlijk bestaande materialen zijn die optische wederkerigheid kunnen verbreken, dit magneto-optische effect is vaak erg zwak, en de materialen kunnen alleen worden gebruikt in statische systemen. Deze beperkingen betekenen dat de materialen te omvangrijk zijn om op kleine opto-elektronische chips te gebruiken. "Het is een technische barrière die bestaat, " zegt Zhen. "Naast dit magneto-optische effect, we vragen welke andere wetenschappelijke mogelijkheden soortgelijke effecten kunnen implementeren."

Zhen en hij bestudeerden LiNbO ₃ , een optisch materiaal dat tot dunne films kan worden gemaakt en als coating op opto-elektronische chips en kleine apparaten kan worden gebruikt. Als een klasse van optisch materiaal die natuurkundigen niet-lineair noemen, LiNbO ₃ kan optische wederkerigheid breken wanneer geplaatst in een dynamische omgeving, zoals geschud worden in plaats van stil blijven staan, of een statisch systeem.

Niet-lineaire optische materialen zijn heel gewoon; de meeste laserpointers in de klas hebben niet-lineaire optische kristallen die onzichtbaar infrarood licht omzetten in zichtbaar groen licht. De hindernis waarmee onderzoekers worden geconfronteerd, is dat er heel weinig bekend is over topologische fasen in niet-lineaire optische materialen. vooral wanneer ze zich in dynamische instellingen bevinden.

Met de expertise van de onderzoekers in topologische fotonica en in het bestuderen van materialen met opto-elektronische toepassingen, ze ontwikkelden een natuurkundige theorie om uit te leggen wat er gebeurt in niet-lineaire optische materialen. Om de theorie te bevestigen, Hij voerde gesimuleerde experimenten uit op LiNbO3-fotonische kristallen en ontdekte dat topologische fasen konden worden geïnduceerd als het materiaal zich in een dynamisch systeem bevond.

Belangrijker, zeggen de onderzoekers, deze topologische fasen lijken geen directe tegenhangers te hebben in elektronische systemen, wat zou kunnen leiden tot unieke functies in toekomstige toepassingen. "Bijvoorbeeld, we zouden mogelijk ook een unidirectionele versterker of verzwakker kunnen bereiken, "zegt Hij.

Zhen zegt dat een subtiel aspect van hun bevindingen is dat ze een beter begrip geven van energiebesparing in dynamische systemen, wat minder eenvoudig is dan statische systemen. Bijvoorbeeld, wanneer fotonen van licht door een dynamisch systeem gaan, het aantal fotonen blijft hetzelfde, maar de totale hoeveelheid energie kan veranderen als fotonen energie opnemen of vrijgeven. Voor Zhen en zijn team was het een van de hoogtepunten van dit onderzoek om beter te begrijpen wat behouden is en wat niet in dynamische systemen.

Als een van de eerste artikelen die een basis legde voor toekomstige studie van topologische toestanden in niet-lineaire optische materialen, dit werk kan een leidraad zijn voor toekomstig theoretisch werk en vormt tegelijkertijd een startpunt voor toekomstige experimenten.

"Het is echt het begin van een heel spannend veld, " zegt Zhen. "We hebben het onderliggende theoretische raamwerk vastgesteld en laten zien dat zelfs als het statische systeem triviaal is, als we het op de juiste manier schudden, het wordt iets heel interessants."