Het huidige begrip van topologische isolatoren en hun klassieke golfanalogen, zoals fotonische topologische isolatoren, is voornamelijk gebaseerd op topologische bandentheorie. In tegenstelling hiermee, Wetenschappers in China en Singapore toonden experimenteel fotonische topologische isolatoren op basis van glasachtige amorfe fasen, waarvoor de bandstructuur slecht gedefinieerd is. De persistentie van topologische bescherming blijkt ook nauw verband te houden met de glas-naar-vloeistofovergang. Dit samenspel tussen topologie en amorfheid effent de weg voor nieuwe klassen van niet-kristallijne topologische fotonische bandgapmaterialen.

Het paradigmaverschuivende concept van topologie heeft niet alleen een revolutie teweeggebracht in de fysica van de gecondenseerde materie, maar heeft ook een fundamenteel nieuw hoofdstuk in fotonica geopend, mechanica, akoestiek, en vele andere velden. Bij fotonica, "fotonische topologische isolatoren" (PTI's), de fotonische analogen van elektronische topologische isolatoren, hebben ongekende opwindende fotonische functionaliteiten mogelijk gemaakt, zoals eenrichtings robuust fotonisch transport en topologische lasers.

Deze topologische systemen, of het nu gebaseerd is op gecondenseerde materie of fotonica, typisch ontlenen hun topologische eigenschappen van bandstructuren op basis van periodieke roosters. Anderzijds, fotonische amorfe fasen zonder periodieke atoomroosters komen veel voor in de natuur (bijv. glas, polymeren en gels). De eigenschappen van deze amorfe systemen worden bepaald door de korteafstandsconnectiviteit van hun atomen/moleculen, in plaats van de periodiciteit op lange termijn.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassingen , een team van wetenschappers, onder leiding van professor Peiheng Zhou en professor Longjiang Deng van de Universiteit van Elektronische Wetenschap en Technologie van China, Professor Yidong Chong en professor Baile Zhang van de Nanyang Technological University hebben experimenteel amorfe PTI's gerealiseerd die niet-kristallijne varianten zijn van een op Chern-getal gebaseerde PTI. Hun studie toont de interessante wisselwerking tussen topologie en korteafstandsvolgorde aan, vooral tijdens de glasovergang. Op Chern-nummer gebaseerde PTI's zijn het eerste type PTI dat ooit is gerealiseerd. Hun werk is het eerste dat amorfe PTI's bestudeert met behulp van dit type fotonische structuur. Ze vinden ook dat het uitsterven van fotonische topologische randtoestanden verwijst naar de glasovergang. Deze inzichten kunnen nuttig zijn voor het realiseren van amorfe topologische isolatoren in andere fysieke omgevingen zoals akoestiek.

De amorfe PTI bestaat uit gyromagnetische staven die zijn gerangschikt in door de computer gegenereerde amorfe roosterpatronen en magnetisch zijn voorgespannen om de tijdomkeringssymmetrie te doorbreken. Door edge-/bulktransmissie- en near-field-distributiemetingen uit te voeren naar de PTI's in een koperen parallelle plaatgolfgeleider, het bestaan ​​van robuuste topologische randtoestanden in de amorfe PTI's wordt experimenteel geverifieerd voorafgaand aan het begin van de glasovergang. Door het amorfe rooster verder te vervormen tot een vloeistofachtig rooster, het sluiten van de mobiliteitskloof en het verdwijnen van de topologische randtoestanden worden waargenomen. Deze wetenschappers vatten de kenmerken van hun topologische systeem samen:

"We hebben een amorf PTI-systeem ontworpen met drie voordelen:(1) de amorfe roosters zijn realiseerbaar in natuurlijke materialen zoals ze worden gegenereerd door Molecular Dynamics Methods; (2) de volledige mapping van kristallijne naar glasachtige amorfe naar vloeistofachtige fasen levert de hele evaluatie van de topologie, van ontstaan ​​tot uitsterven, en legt duidelijk de rol van de glas-vloeistofovergang vast; en (3) het fotonische platform kan worden geïmmigreerd om andere niet-periodieke fotonische topologische materialen te verifiëren."

"De topologische bescherming ondersteund door de korteafstandsvolgorde in onze amorfe PTI's toont opmerkelijke robuustheid aan grote defecten, bijv. 3 keer de karakteristieke lengte van de roosters, en 90º bochten, allemaal vergelijkbaar met kristallijne tegenhangers, " voegden ze eraan toe.

"De gepresenteerde aanpak kan worden gebruikt om specifieke amorfe PTI's te ontwikkelen met gewenste structurele correlaties, e. G. de hyperuniforme structuren bestudeerd in bandgap fotonische kristallen, of monitor andere niet-periodieke PTI's, bijv. de quasi-kristallen of metamaterialen. Onze bevindingen zullen daarom zeer nuttig zijn voor toekomstige onderzoeken naar niet-kristallijne topologische fotonische materialen voor nieuwe fotonische apparaten, zoals topologische willekeurige lasers, ' stellen de wetenschappers voor.