Het is aangetoond dat laserlicht dat door sierlijk microgefabriceerd glas reist, met zichzelf in wisselwerking staat om zelfvoorzienende golfpatronen te vormen die solitonen worden genoemd. Het ingewikkelde ontwerp dat in het glas is vervaardigd, is een soort "fotonische topologische isolator, " een apparaat dat mogelijk kan worden gebruikt om fotonische technologieën zoals lasers en medische beeldvorming efficiënter te maken.

Topologische materialen, die in 2016 de Nobelprijs kregen, hebben het vermogen om de stroom van golven erdoorheen te "beschermen" tegen ongewenste wanorde en defecten. Tot nu, ons begrip van topologische bescherming van licht is meestal beperkt tot lichtdeeltjes die onafhankelijk werken, maar in een nieuw artikel dat op 22 mei in het tijdschrift verschijnt Wetenschap , onderzoekers van Penn State melden dat ze het glas hebben gebruikt om de interactie tussen fotonen te bemiddelen, direct observeren van de fundamentele golfpatronen van deze ingewikkelde apparaten.

"Mensen zijn misschien meer vertrouwd met elektronica, maar er is een hele parallelle wereld van 'fotonica, ' waar we ons bezighouden met de eigenschappen van licht in plaats van elektronen, " zei Mikael Rechtsman, Downsbrough Early Career Development hoogleraar natuurkunde aan Penn State, en senior auteur van het artikel. "Er zijn talloze toepassingen van fotonica, onder meer in zonne-energie, glasvezel voor telecommunicatie, productie met behulp van lasersnijden, en lidar, die wordt gebruikt, bijvoorbeeld, om autonome voertuigen te helpen besturen. Topologische bescherming biedt de belofte om fotonische apparaten energiezuiniger te maken, aansteker, en compacter."

Het concept van topologische bescherming kan worden toegepast in elektronische, fotonisch, atomaire en mechanische systemen. Bij elektronica, bijvoorbeeld, topologische bescherming kan de efficiëntie verbeteren door elektronen betrouwbaar door een materiaal te laten stromen zonder verstrooiing. Voor elektronen vereist deze bescherming extreem lage temperaturen, het absolute nulpunt nadert, en heel vaak een sterk extern magnetisch veld, maar met fotonen, alle experimenten kunnen worden uitgevoerd bij kamertemperatuur, en omdat fotonen geen lading hebben, zonder magnetisch veld.

Om hun experimenten uit te voeren, de onderzoekers schijnen een laser door een stuk glas waarin een reeks uiterst precieze tunnels is uitgehouwen, elk met een diameter van ongeveer een tiende van die van een mensenhaar. de tunnels, genaamd "golfgeleiders, "gedraag je als draden, de stroom van licht erdoorheen concentreren. De golfgeleiders in het stuk glas zijn gerangschikt in een raster, een array vormen, maar het pad van elke golfgeleider door het glas is niet recht - het kan misschien beter worden omschreven als serpentijn, met door de onderzoekers ontworpen kronkels en bochten met een geometrie die leidt tot de topologische bescherming van licht.

"We moesten de fabricagefaciliteit in ons laboratorium bouwen om de driedimensionale golfgeleiders nauwkeurig door het glas te snijden, een proces dat femtoseconde laserschrijven wordt genoemd, " zei Sebabrata Mukherjee, een postdoctoraal onderzoeker bij Penn State en eerste auteur van het artikel. "De mogelijkheid om driedimensionale golfgeleiders te schrijven is cruciaal om het apparaat topologisch te maken, een eigenschap die experimenteel wordt bevestigd door de 'beschermde' eenrichtingsstroom van licht langs de rand van het apparaat te observeren."

Via een proces dat het "Kerr-effect" wordt genoemd, " de eigenschappen van het glas veranderen door de aanwezigheid van het intense laserlicht. Deze verandering in het glas bemiddelt een interactie tussen de vele fotonen, die meestal geen interactie hebben, zich door de array voortplanten. Naarmate het vermogen groter werd, het licht stortte in tot een straal die zich niet uitbreidde (d.w.z. afbuigen), maar eerder in spiralen gedraaid. De spiraalvormige rotatie van de solitonen is een handtekening van de specifieke vorm van de door de onderzoekers ontworpen golfgeleiders en een indicator dat het apparaat, inderdaad, topologisch.

"Onder normale omstandigheden, fotonen zijn zich niet bewust van elkaar, "zei Rechtsman. "Je kunt twee laserstralen kruisen en geen van beide wordt door de ander veranderd. In ons systeem, we waren in staat om fotonen te laten interageren en solitonen te vormen omdat de intensiteit van de laser de eigenschappen van het glas veranderde. De fotonen werden 'bewust' van elkaar door de verandering in hun omgeving."

Het is bekend dat solitonen de meest fundamentele golfvormen zijn in veel systemen waar interactie wordt gemedieerd door de omgeving.

"Het theoretisch begrijpen en experimenteel onderzoeken van solitonen in topologische systemen zoals onze golfgeleiderarrays zal een belangrijk ingrediënt zijn bij het toepassen van topologische bescherming voor praktisch gebruik in fotonische apparaten, vooral degenen die een hoog optisch vermogen vereisen, ’ zei Rechtsman.