Nederlandse onderzoekers van AMOLF en TU Delft hebben licht zien voortplanten in een bijzonder materiaal zonder reflecties. Het materiaal, een fotonisch kristal, bestaat uit twee delen die elk een iets ander patroon van perforaties hebben. Licht kan zich op een speciale manier langs de grens tussen deze twee delen voortplanten:het is "topologisch beschermd, " en kaatst dus niet terug bij onvolkomenheden. Ook als de grens een scherpe hoek vormt, het licht volgt het probleemloos.

"Voor de eerste keer, we hebben deze fascinerende lichtgolven zien bewegen op de technologisch relevante schaal van nanofotonica, " zegt Ewold Verhagen, groepsleider bij AMOLF. De resultaten verschijnen in het nummer van 6 maart van wetenschappelijke vooruitgang .

Topologische isolatoren:speciale elektronica

Verhagen en zijn medewerker Kobus Kuipers van de TU Delft lieten zich inspireren door elektronische materialen, waar zogenaamde topologische isolatoren een nieuwe klasse materialen vormen met opmerkelijk gedrag. Waar de meeste materialen al dan niet geleidend zijn voor elektronen (waardoor ze een isolator zijn), topologische isolatoren vertonen een vreemde vorm van geleiding. "De binnenkant van een topologische isolator laat geen elektronenpropagatie toe, maar langs de rand elektronen kunnen vrij bewegen, ", zegt Verhagen. "Belangrijk, de geleiding is 'topologisch beschermd'; de elektronen worden niet beïnvloed door wanorde of onvolkomenheden die ze normaal zouden weerspiegelen. Dus de geleiding is zeer robuust."

Vertaling naar fotonica

In het afgelopen decennium, wetenschappers hebben geprobeerd dit gedrag ook voor de geleiding van licht te vinden. "We wilden echt topologische bescherming van lichtvoortplanting op nanoschaal bereiken en zo de deur openen naar het geleiden van licht op optische chips zonder gehinderd te worden door verstrooiing bij onvolkomenheden en scherpe hoeken, ’ zegt Verhagen.

Voor hun experimenten, de onderzoekers gebruikten tweedimensionale fotonische kristallen met twee licht verschillende gatenpatronen. De 'rand' die lichtgeleiding mogelijk maakt, is de interface tussen de twee gatenpatronen. "Lichtgeleiding aan de rand is mogelijk omdat de wiskundige beschrijving van licht in deze fotonische kristallen kan worden beschreven door specifieke vormen, of nauwkeuriger door topologie, ", zegt Kuipers. De topologie van de twee verschillende gatenpatronen verschilt en juist deze eigenschap zorgt voor lichtgeleiding aan de grens, vergelijkbaar met elektronen in topologische isolatoren. Omdat de topologie van beide gatenpatronen is vergrendeld, lichtgeleiding kan niet worden herroepen; het is 'topologisch beschermd'."

Beeldvorming van topologisch licht

De onderzoekers slaagden erin om lichtvoortplanting met een microscoop in beeld te brengen en zagen dat het zich gedroeg zoals voorspeld. Bovendien, ze waren getuige van de topologie, of wiskundige beschrijving, in het waargenomen licht. Kuipers zegt, "Voor deze lichtgolven roteert de polarisatie van licht in een bepaalde richting, analoog aan de spin van elektronen in topologische isolatoren. De draairichting van het licht bepaalt de richting waarin dit licht zich voortplant. Omdat polarisatie niet gemakkelijk kan veranderen, de lichtgolf kan zelfs om scherpe hoeken stromen zonder te reflecteren of verstrooid te worden, zoals zou gebeuren in een gewone golfgeleider.

Technologische relevantie

De onderzoekers zijn de eersten die de voortplanting van topologisch beschermd licht rechtstreeks observeren op de technologisch relevante schaal van nanofotonische chips. Door doelbewust gebruik te maken van siliciumchips en licht van een vergelijkbare golflengte als in telecommunicatie, Verhagen verwacht het toepassingsperspectief te vergroten.

"We gaan nu onderzoeken of er praktische of fundamentele grenzen zijn aan topologische bescherming en welke functionaliteiten op een optische chip we met deze principes kunnen verbeteren. Het eerste waar we aan denken is om de geïntegreerde lichtbronnen op een fotonische chip te maken betrouwbaarder. Dit is van belang met het oog op energiezuinige gegevensverwerking of 'groene ICT'."

Ook, de topologische bescherming van licht kan nuttig zijn om kleine pakketjes kwantuminformatie efficiënt over te dragen.