Licht kan deelnemen aan eigenaardige verschijnselen op nanoschaal. Het verkennen van deze verschijnselen kan geavanceerde toepassingen ontsluiten en nuttige inzichten opleveren in de interacties tussen lichtgolven en andere materialen.

In een recente studie, wetenschappers van de Cornell University stellen een nieuwe methode voor waarmee licht op nanoschaal kan worden gemanipuleerd en getransporteerd. Van deze speciale vormen van lichttransport is bekend dat ze ontstaan ​​op fijn afgestemde grensvlakken tussen enigszins verschillende nanomaterialen. Minwoo Jung, hoofdonderzoeker van dit onderzoek, illustreert dit concept door een eenvoudige analogie:"Een drijvende buis heeft een gat in het midden, maar een normale ballon niet. Hoe je ook in de ronde ballon knijpt, het kan niet worden omgevormd tot een donut - tenminste niet zonder de ballon te laten knappen, het rubber opnieuw breien, en het opnieuw injecteren van de lucht. Dus, een buis en een ballon onderscheiden zich in hun topologie omdat ze niet verbonden zijn door een vloeiende vervorming."

Jung legt verder uit dat natuurkundigen geïnteresseerd waren in het naast elkaar lijmen van twee topologisch verschillende materialen, zodat de ene als een ballon werkt en de andere als een buis. Dit betekent dat, op hun interface, er moet een proces plaatsvinden dat deze twee materialen verbindt, net als het prikken/knallen/opnieuw breien/opnieuw injecteren van een ballon in een buis. Onder de juiste omstandigheden, dit proces kan aanleiding geven tot een sterk kanaal voor het verzenden van energie of informatie langs de interface. Omdat dit proces kan worden toegepast op licht (dat fungeert als drager van energie of informatie), deze tak van de natuurkunde wordt topologische fotonica genoemd.

Jung en zijn team combineerden het fascinerende concept van topologische fotonica met een innovatieve techniek die licht vangt in een atomair dun materiaal. Deze methode bracht twee snel opkomende gebieden in de toegepaste en fundamentele fysica samen:grafeen nanolight en topologische fotonica. Jung zegt, "Grafeen is een veelbelovend platform voor het opslaan en beheersen van licht op nanoschaal en zou een sleutelrol kunnen spelen in de ontwikkeling van on-chip en ultracompacte nanofotonische apparaten, zoals golfgeleiders en holtes."

Het onderzoeksteam voerde simulaties uit met een grafeenvel gelaagd op een materiaal met nanopatroon dat als een metagaat fungeert. Deze honingraatachtige metagaat bestaat uit een stevige laag materiaal met gaten van verschillende grootte, gecentreerd op de hoekpunten van de zeshoeken. De variërende stralen van deze gaten beïnvloeden de manier waarop de fotonen door het materiaal gaan. De wetenschappers ontdekten dat het strategisch "verlijmen" van twee verschillende metagaten een topologisch effect creëert dat fotonen op hun grensvlak beperkt in een voorspelbare, controleerbare manier.

Verschillende keuzes van metagate-ontwerpen demonstreren de dimensionale hiërarchie van de topologie van het apparaat. specifiek, afhankelijk van de metagaatgeometrie, nanolicht kan worden gemaakt om langs eendimensionale randen van de topologische interface te stromen of kan topologisch worden opgeslagen op nuldimensionale (puntachtige) hoekpunten. Bovendien, de metagate zorgt voor aan- en uitzetten van deze golfgeleiders of holtes. Dergelijke op batterijen werkende topologische effecten kunnen de technologische acceptatie van topologische fotonica in praktische apparaten ten goede komen.

Jungs team is optimistisch dat de synergetische combinatie van grafeen nanolight en topologische fotonica vooruitgang zal stimuleren in relevante onderzoeksgebieden, zoals optica, materiaal wetenschappen, en vastestoffysica. Hun op grafeen gebaseerde materiaalsysteem is eenvoudig, efficiënt, en geschikt voor nanofotonische toepassingen:een stap voorwaarts in het benutten van het volledige potentieel van licht.