We zijn het meest bekend met de vier conventionele fasen van materie:vast, vloeistof, gas, en plasma. Veranderingen tussen twee fasen, bekend als faseovergangen, worden gekenmerkt door abrupte veranderingen in materiaaleigenschappen zoals dichtheid. In de afgelopen decennia is een breed scala aan natuurkundig onderzoek gewijd aan het ontdekken van nieuwe onconventionele fasen van materie, die typisch ontstaan ​​bij ultra-lage temperaturen of in speciaal gestructureerde materialen. Exotische "topologische" fasen vertonen eigenschappen die alleen op een gekwantiseerde (stapsgewijze) manier kunnen veranderen, waardoor ze intrinsiek robuust zijn tegen onzuiverheden en defecten.

Naast topologische toestanden van materie, topologische fasen van licht kunnen ontstaan ​​in bepaalde optische systemen zoals fotonische kristallen en optische golfgeleiderarrays. Topologische lichttoestanden zijn van belang omdat ze de basis kunnen vormen voor toekomstige energie-efficiënte op licht gebaseerde communicatietechnologieën zoals lasers en geïntegreerde optische schakelingen.

Echter, bij hoge intensiteiten kan licht de eigenschappen van het onderliggende materiaal wijzigen. Een voorbeeld van een dergelijk fenomeen is de schade die de krachtige lasers kunnen toebrengen aan de spiegels en lenzen. Dit beïnvloedt op zijn beurt de voortplanting van het licht, een niet-lineaire feedbacklus vormen. Niet-lineaire optische effecten zijn essentieel voor de werking van bepaalde apparaten zoals lasers, maar ze kunnen leiden tot het ontstaan ​​van wanorde uit de orde in een proces dat bekend staat als modulatie-instabiliteit, zoals weergegeven in figuur 1. Het begrijpen van de wisselwerking tussen topologie en niet-lineariteit is een fascinerend onderwerp van lopend onderzoek.

Daniël Leykam, Aleksandra Malukov, en Sergej Flach bij het Center for Theoretical Physics of Complex Systems (PCS) binnen het Institute for Basic Science (IBS, Zuid-Korea), samen met hun collega's Ekaterina Smolina en Daria Smirnova van het Institute of Applied Physics, Russische Academie van Wetenschappen en de Australian National University, hebben een nieuwe methode voorgesteld om topologische fasen van licht te karakteriseren met behulp van niet-lineaire instabiliteiten die worden vertoond door heldere lichtstralen. Dit onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

In dit werk, de onderzoekers richtten zich op de fundamentele vraag hoe topologische fasen van licht in niet-lineaire optische media het proces van modulatie-instabiliteit ondergaan. Er werd theoretisch aangetoond dat bepaalde kenmerken van de instabiliteit, zoals de groeisnelheid, kan verschillen tussen verschillende topologische fasen. De onderzoekers voerden numerieke simulaties uit van de modulatie-instabiliteit en toonden aan dat het kan worden gebruikt als een hulpmiddel om verschillende topologische fasen van licht te identificeren. Een voorbeeld van dit idee wordt getoond in figuur 2:terwijl de lichtstralen die door de instabiliteit worden gegenereerd schijnbaar willekeurige intensiteitspatronen hebben, ze vertonen verborgen orde in hun polarisatie in de vorm van robuuste wervels. Het aantal wervelingen dat verschijnt als gevolg van de instabiliteit wordt gekwantificeerd, en ze kunnen worden gebruikt om verschillende topologische fasen te onderscheiden.

De meest gebruikelijke manier om topologische fasen van licht te identificeren, is door naar de randen van het materiaal te kijken, waar bepaalde optische golflengten gelokaliseerd worden. Echter, een volledige karakterisering vereist het meten van de bulkeigenschappen van het materiaal, wat een veel moeilijkere taak is. Het licht in het stortgoed ondergaat gecompliceerde golfinterferentie en is zeer gevoelig voor defecten, die zijn topologische eigenschappen verdoezelt. Niet intuïtief, de onderzoekers hebben laten zien hoe niet-lineaire instabiliteiten kunnen worden gebruikt om deze ongewenste interferentie te temmen en de bulk topologische eigenschappen van het materiaal spontaan in lichtstralen te coderen. Deze benadering biedt een eenvoudigere manier om topologische lichttoestanden te onderzoeken en misschien zelfs te genereren.

De volgende stap is om dit voorstel te testen in een experiment. Bijvoorbeeld, optische golfgeleiderarrays die in een glas zijn ingeschreven, zullen hiervoor een ideaal platform zijn. Door een heldere gepulseerde laserstraal in het glas te laten schijnen, het moet mogelijk zijn om de modulatie-instabiliteit direct waar te nemen en daarmee de topologische eigenschappen van de golfgeleiderarray te meten. De onderzoeksgroep bespreekt momenteel met medewerkers mogelijke ontwerpen voor de experimentele verificatie van hun theorie.