Topologische isolatoren zijn een opwindend onderzoeksgebied geweest met fundamenteel belang, evenals praktische toepassingen zoals robuust transport van elektronen en licht, en topologische kwantumcomputers. Het kenmerk van dergelijke conventionele topologische isolatoren is de aanwezigheid van geleidende grensmodi die één dimensie lager zijn dan het isolerende bulksysteem dat ze herbergt, bijvoorbeeld een eendimensionale randmodus aan de grens van een tweedimensionaal systeem, of een tweedimensionale oppervlaktetoestand op de grens van een driedimensionaal systeem. in 2017, wetenschappers hebben dit concept gegeneraliseerd om een ​​nieuwe fase van materie te voorspellen, genaamd hogere-orde topologische isolatoren (HOTI's), die 'hoekmodi' ondersteunen, bijv. een nuldimensionale modus in een tweedimensionaal systeem. Vanaf dat moment, er zijn verschillende experimentele demonstraties geweest van deze nieuwe HOTI-fase, waarvan de meeste gecompliceerde geometrieën omvatten. Bovendien, deze eerdere systemen zijn vast, d.w.z. men kan hun topologische gedrag van hogere orde niet dynamisch omschakelen of afstemmen als ze eenmaal zijn gefabriceerd.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Shanhui Fan van Stanford University, VS, en collega's hebben een manier voorgesteld om dergelijke topologie en hoektoestanden van een hogere orde te realiseren met behulp van een opkomend concept genaamd 'synthetische dimensies, ' in eenvoudiger structuren en op een dynamisch afstembare manier. Gebruikelijk, deeltjes zoals fotonen en elektronen worden verondersteld te bewegen langs de drie richtingen-x, y en z, of lengte, breedte en diepte. Wat als je je de beweging van fotonen buiten deze drie 'echte' richtingen zou kunnen voorstellen? Het team noemt deze extra bewegingsrichtingen 'synthetische dimensies'.

Om deze conceptuele sprong van de drie reële dimensies naar synthetische dimensies te maken, ze maakten gebruik van interne eigenschappen die inherent zijn aan alle fotonen - de frequentie of kleur van licht, die bepaalt hoeveel energie een foton draagt. Eerder werk van het Stanford-team en andere groepen hebben conventionele (eerste-orde) topologische fasen aangetoond met behulp van dit concept van synthetische dimensies, inclusief intrigerende natuurkundige fenomenen zoals het quantum Hall-effect. Echter, hogere-orde topologie was tot nu toe buiten het bereik van synthetische dimensies gebleven, hoewel de hoogdimensionale aard van HOTI's zeer goed geschikt is voor het idee van synthetische dimensies.

Om de topologische isolator van hogere orde te construeren, de onderzoekers stellen voor om een ​​set ringresonatoren te gebruiken die in een specifieke opstelling aan elkaar zijn gekoppeld. Elke ringresonator is in wezen een dunne draad van een transparant materiaal dat op zichzelf is gelust, zodat een foton vele malen rond de lus kan gaan. Een paar van twee identieke ringresonatoren vormt samen een 'fotonisch molecuul, ' net zoals twee waterstofatomen een diatomisch molecuul vormen. Door meerdere van dergelijke fotonische moleculen langs een lijn te rangschikken, een tweede-orde topologische isolator voor fotonen kan worden gevormd. Net als in reële dimensies kan men bepalen of een foton naar rechts of naar links beweegt (zeg in de x-richting), de ringresonator kan in synthetische dimensies bepalen of een foton in frequentie omhoog of omlaag beweegt. Een dergelijke beweging in frequentie wordt bereikt met een andere fotonische component die een modulator wordt genoemd - een apparaat dat de brekingsindex van het materiaal met hoge snelheden kan veranderen, waardoor ze essentieel zijn voor de huidige optische telecommunicatienetwerken.

Volgende, het team voorspelt hoe het kenmerk van hogere-ordetopologie - de hoekmodi - in dit systeem kan worden gezien door specifieke frequenties van laserlicht in de set fotonische moleculen te sturen. Voor deze hoekmodi, licht is beperkt tot de hoek van de tweedimensionale structuur die bestaat uit een echte dimensie en een synthetische frequentiedimensie, en er is bijna geen licht in de rest van de structuur.

"Een groot voordeel van synthetische dimensies is de flexibiliteit waarmee verschillende knoppen kunnen worden bestuurd om systeemparameters af te stemmen. Door de sterkte en timing van het elektronische signaal dat wordt toegepast op de modulatoren in de fotonische moleculen te regelen, we hebben laten zien hoe deze hoekmodi kunnen worden in- en uitgeschakeld. Met andere woorden, u kunt het systeem omschakelen van een topologie van hogere orde naar geen topologie, dynamisch. Dit vermogen is ongeëvenaard in typische elektronische of fotonische systemen, ", zeggen de auteurs.

Met synthetische afmetingen, kan men denken aan het bouwen van zeer hoogdimensionale topologische isolatoren, die moeilijk te bouwen of zelfs maar voor te stellen zijn in de echte ruimte omdat we in een driedimensionale wereld leven. Als voorbeeld, het team construeert een topologische isolator van de vierde orde in een vierdimensionaal systeem, wat niet eerder is voorspeld, omdat het buiten het bereik van de driedimensionale reële ruimte valt.

"Onze recepten leggen uit hoe synthetische dimensies kunnen worden gebruikt om zeer gecompliceerde hoogdimensionale verschijnselen te implementeren, inclusief topologische isolatoren van hoge orde en andere exotische fasen van licht en materie, in veel eenvoudigere systemen, en dynamisch hun eigenschappen bijna naar believen beheren. Experimentele realisaties van dit concept liggen ruim binnen het bereik van de huidige state-of-the-art fotonische technologie, ', voegen de wetenschappers eraan toe.