Onderzoekers van de Universiteit van Rostock hebben een nieuw type niet-lineaire fotonische schakeling ontwikkeld waarin intense lichtstralen hun eigen pad kunnen bepalen en, daarbij, maken zich ongevoelig voor externe verstoringen. Deze ontdekking is onlangs gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Wetenschap .

"Fotonen zijn een weerbarstige bende, " legt professor Alexander Szameit uit, wiens groep de baanbrekende experimenten uitvoerde. "Zodra men erin slaagt ze naar een bepaald punt in ruimte en tijd te drijven, ze verspreiden zich onmiddellijk weer in alle richtingen." Inderdaad, Eeuwen van onderzoek zijn gewijd aan het vormgeven van de lichtstroom op een aantal manieren:Lenzen en gebogen spiegels kunnen de stralen van de zon strak bundelen. Krachtige lasers genereren coherente stralen en korte pulsen van intens licht. En glasvezelkabels leveren duizelingwekkende hoeveelheden optisch gecodeerde gegevens over het world wide web. Nog, lichtgolven zijn verrassend delicate entiteiten:een kleine barst in een lens, een stofje dat door een laserstraal drijft, of een knik in de vezel kan de ingewikkelde mechanismen verstoren die licht transformeren in misschien wel het meest veelzijdige hulpmiddel dat ooit door de mensheid is gebruikt.

Elektronische topologische isolatoren - vaste stoffen die geen elektriciteit geleiden in hun bulk, maar tegelijkertijd perfect geleidend zijn langs hun oppervlak - werden voor het eerst experimenteel gerealiseerd in 2007 door Laurens Molenkamp en zijn team aan de Universiteit van Würzburg. Hun fotonische tegenhangers fascineren prof. Szameit al heel lang. "Sinds onze eerste implementatie van een topologische isolator voor licht, we hebben ernaar gestreefd te ontdekken hoe deze eigenaardige systemen kunnen worden gebruikt, " herinnert de natuurkundige zich.

Terwijl fotonische topologische isolatoren licht langs nauwkeurig gedefinieerde paden kunnen leiden, en het wiskundige kader dat aan hun ontwerp ten grondslag ligt, geeft ze een ongekende mate van robuustheid tegen onvolkomenheden of externe verstoringen, deze gewilde eigenschappen vormen ook een formidabel obstakel. "Eenmaal geïnjecteerd in een topologisch kanaal, lichtpulsen hebben geen last van verstrooiingsverliezen, maar deze isolatie maakt ze ook vrijwel onmogelijk te controleren zonder ze uit hun beschermende omgeving te halen, " co-auteur Dr. Matthias Heinrich vat de uitdaging samen waarmee de wetenschappelijke gemeenschap momenteel wordt geconfronteerd.

Natuurlijk, op papier, de oplossing lijkt misschien voor de hand liggend. "In principe, het is makkelijk. Het enige dat u nodig hebt, is een schakelaar die u naar believen kunt omdraaien om de topologische eigenschappen van het systeem onmiddellijk tussen twee lichtpulsen te wijzigen, " grapt Szameit. Echter, topologie is onlosmakelijk verbonden met de fysieke opstelling van het golfgeleidercircuit, terwijl ultrakorte laserpulsen worden gemeten in femtoseconden (een miljoenste van een miljardste van een seconde) - vele orden van grootte die zelfs de snelste elektronische modulatoren niet kunnen bereiken.

In nauwe samenwerking met theoretici van de Universiteit van Rostock, de ICFO in Barcelona, de Universiteit van Lissabon en het Moskouse Instituut voor Wetenschap en Technologie, het team van jonge onderzoekers vond een manier om in plaats daarvan het licht zelf te laten beslissen of het topologische bescherming inschakelt of zich gedraagt ​​als in een conventioneel medium. "Afhankelijk van hun piekintensiteit, optische pulsen kunnen zich op fundamenteel verschillende manieren gedragen, " legt Lukas Maczewsky uit, doctoraat student en hoofdauteur van het werk. "Niet-lineariteit is het toverwoord:in de fotonica, soms is twee plus twee echt meer dan vier." Na twee jaar intensief onderzoek en talloze uren in de laboratoria van het Institute of Physics aan de universiteit van Rostock, deze inspanningen kwamen tot bloei.

De niet-lineariteit-geïnduceerde topologische isolator - een nieuw synthetisch materiaal - laat lichtpulsen boven een bepaalde drempelintensiteit toe om een ​​voorbijgaand topologisch domein in hun directe omgeving te vestigen. De zelfverklaarde "Star Trek"-fan Szameit schetst een levendig beeld van de complexe natuurkunde die speelt:"Net zoals de U.S.S. Enterprise zijn schilden opheft, de zelf gegenereerde beschermende cocon volgt de lichtpulsen en bewaart ze langs hun gekozen pad."

De succesvolle internationale samenwerking heeft de fundamentele wetenschap op het gebied van kwantumoptica en in het bijzonder het onderzoek naar fotonische topologische isolatoren aanzienlijk gevorderd. Totdat deze stukken kunnen worden samengevoegd tot een werkbare optische kwantumcomputer - de heilige graal die door groepen over de hele wereld wordt nagestreefd - moeten er nog verschillende uitdagingen worden opgelost. Hoe dan ook, De nieuwste ontdekking van de natuurkundigen is veelbelovend voor tal van innovatieve toepassingen, zoals topologisch beschermde volledig optische signaalverwerking en zelfverbeterende fotonische neuronale netten. Gezien het snelle tempo van de vooruitgang, deze ideeën die tegenwoordig misschien sciencefiction lijken, spoedig werkelijkheid zou kunnen worden.