Fysische theorie suggereert dat exotische excitaties kunnen bestaan ​​in de vorm van gebonden toestanden in de nabijheid van topologische defecten, bijvoorbeeld, in het geval van Majorana nulmodi die zijn opgesloten in wervels in topologische supergeleidende materialen. Een beter begrip van deze toestanden zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe rekenhulpmiddelen, inclusief kwantumtechnologieën.

Een fenomeen dat de afgelopen jaren de aandacht heeft getrokken, is "vlechten, " die optreedt wanneer elektronen in bepaalde toestanden (d.w.z. Majorana-fermionen) zijn met elkaar gevlochten. Sommige natuurkundigen hebben getheoretiseerd dat dit fenomeen de ontwikkeling van een nieuw type kwantumtechnologie mogelijk zou kunnen maken, namelijk topologische kwantumcomputers.

Onderzoekers van de Pennsylvania State University, Universiteit van California, Berkeley, Staatsuniversiteit van Iowa, Universiteit van Pittsburgh, en Boston University hebben onlangs de hypothese getest dat vlechten ook voorkomt in andere deeltjes dan elektronen, zoals fotonen (d.w.z. lichtdeeltjes). In een paper gepubliceerd in Natuurfysica , ze presenteren de eerste experimentele demonstratie van vlechten met behulp van fotonische topologische nulmodi.

"Het idee is geïnspireerd op een bekende architectuur voor het bouwen van een kwantumcomputer; een die theoretisch is voorspeld maar nooit experimenteel is gerealiseerd, " Mikael C. Rechtsman, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Om bewerkingen uit te voeren in dit eerder getheoretiseerde type kwantumcomputer, Majorana-fermionen worden om elkaar heen verplaatst - dit wordt vlechten genoemd. In een eerder theoretisch onderzoek sommige van mijn collega's voorspelden dat vlechten een algemeen fenomeen is dat niet alleen kan worden toegepast op elektronen, maar voor fotonen, ook. In onze nieuwe krant we demonstreren dit experimenteel, met behulp van een reeks golfgeleiders die vergelijkbaar zijn met glasvezelkabels."

Rechtsman en zijn collega's hebben de geometrische fase van het vlechtfenomeen gemeten door een experiment uit te voeren waarbij twee verschillende vlechtprocessen met elkaar interfereren. Bij een van deze processen topologische defecten werden met de klok mee gevlochten, terwijl in de andere, ze waren tegen de klok in gevlochten.

Interferentie is een kenmerk van golfmechanica dat vaak wordt gebruikt om fysieke systemen te bestuderen. Deze functie is verantwoordelijk voor talloze golfgerelateerde verschijnselen, variërend van regenboogwervelingen op zeepbellen tot zwaartekrachtsgolven.

"We hebben waargenomen dat het licht van de twee tegenovergestelde vlechtprocessen destructief interfereerde, wat onze theoretische voorspelling bevestigde dat de processen een relatieve vlechtfase van pi hebben, "Thomas Schuster, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Cruciaal, door de bijzonder eenvoudige werking van het vlechten, de meting die we hebben verzameld, stelt ons in staat om het gedrag van elk vlechtproces te extrapoleren. Vooral, het verifieert dat bij het uitvoeren van meerdere vlechten achter elkaar, de volgorde van het vlechten is van belang."

Rechtsman, Schuster en hun collega's hebben het bestaan ​​aangetoond van een generaliseerbaar vlechtproces dat ze niet-Abeliaans vlechten noemen, dat is een eenvoudige manifestatie van een functie waarnaar onderzoekers al jaren zoeken in elektronische systemen. Hun resultaten suggereren dat vlechten kan, in feite, een veelvoorkomend fenomeen zijn dat verder gaat dan elektronen en ook van toepassing is op licht, geluid, water en mogelijk zelfs seismische golven.

Naast het benadrukken van de mogelijkheid om fotonische roosters te gebruiken als platform om topologische defecten en hun vlechten te bestuderen, deze studie zou andere onderzoeksteams kunnen inspireren om vlechten te onderzoeken in de context van andere fenomenen die de productie van golven met zich meebrengen. Rechtsman, Schuster en hun collega's zijn nu van plan door te gaan met het onderzoeken van het vlechten van fotonische topologische nulmodi, samen met andere topologische fenomenen die ook zouden kunnen worden toegepast op lichtgerelateerde systemen.

"Vlechten is een topologisch fenomeen dat traditioneel wordt geassocieerd met elektronische apparaten, "Zei Rechtsman. "We hopen nu aan te tonen dat een hele klasse van topologische fenomenen potentieel nuttig kan zijn, niet alleen voor elektronische apparaten, maar ook fotonische apparaten, zoals lasers, medische beeldvormingsapparatuur, telecommunicatiesystemen, en anderen. We verwachten ook dat dit nieuwe type topologische fysica kan worden toegepast op kwantuminformatiesystemen, vooral die op basis van fotonen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk