Kristallen hebben de mens al duizenden jaren geboeid met hun visuele schoonheid en elegante symmetrische vormen, en meer recentelijk met hun talrijke technologische toepassingen. Fundamenteel zijn deze materialen gebaseerd op een zeer regelmatige rangschikking van hun kleinste samenstellende elementen, en de fysieke eigenschappen van kristallijne materialen zijn sterk afhankelijk van de zuiverheid van hun onderliggende rooster.

Toch zijn onvolkomenheden niet per se schadelijk. Een sprenkeling van atomen uit aangrenzende groepen in het periodiek systeem kan anders inerte platen kristallijn silicium veranderen in krachtige elektronische processors die routinematig miljarden bewerkingen per seconde uitvoeren, evenals zeer efficiënte zonnecellen die zonlicht kunnen oogsten om energie te leveren hen.

Het blijkt dat het concept van discrete systemen niet beperkt is tot vaste stoffen, aangezien hetzelfde onderliggende wiskundige raamwerk ook de evolutie van licht beschrijft in roosters van zogenaamde golfgeleiders.

Deze "draden voor licht" fascineren Prof. Alexander Szameit van de Universiteit van Rostock al heel lang. "Ieder kind weet dat licht in rechte lijnen reist. In het beste geval kan het door een spiegel worden gereflecteerd of onder een bepaalde hoek worden afgebogen wanneer het een glasblok binnengaat of door een lens gaat", schetst het hoofd van de solid-state opticagroep de dagelijkse ervaring met optica.

"Het blijft me verbazen dat licht kan worden vastgepind op en tunnelen tussen specifieke banen zoals elektronen in een kristal", vervolgt hij, terwijl hij de basis van het onderzoek van zijn groep beschrijft. In deze geest kunnen arrays van golfgeleiders vele facetten van de vastestoffysica weerspiegelen, en zelfs aanleiding geven tot geheel nieuwe effecten en nieuwe functionele structuren.

Voor hun nieuwste doorbraak werkten de natuurkundigen van Rostock samen met collega's van Technion Haifa (Israël) en Zhejiang University (China) om een ​​tot nu toe ongrijpbaar kunstmatig optisch materiaal te construeren:een driedimensionale topologische isolator (TI) voor licht.

"Topologische isolatoren zijn een nieuwe fase van de materie en zijn pas een paar decennia bekend", zegt auteur Dr. Lukas Maczewsky. "Hun fotonische tegenhangers kunnen licht rond defecten en scherpe hoeken leiden en het daarbij beschermen tegen verstrooiing."

Toch beweegt licht met ongelooflijke snelheden, en conventionele fotonische platforms moeten doorgaans ten minste één van de drie ruimtelijke dimensies opofferen om het gedrag van licht in de overige te regelen. Bijgevolg waren eerdere experimenten met fotonische TI's beperkt tot eendimensionale en vlakke opstellingen.

De elegante oplossing die het team van onderzoekers bedacht om deze beperkingen te overwinnen, combineert het concept van synthetische afmetingen met een specifiek type defect - een zogenaamde 'schroefdislocatie'. Dit oordeelkundig geplaatste defect verbindt continu de afzonderlijke vlakken van het rooster door ze rond een centrale as te draaien, vergelijkbaar met een kurkentrekker. Co-auteur en Ph.D. student Julius Beck legt uit dat "zoals het transformeren van een losse stapel ringen in een naadloos verbonden spiraal, dit opzettelijke defect ons in staat stelde om de eerste 3D-topologische isolator voor licht te creëren."

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature . + Verder verkennen

Topologische fotonica in fractale roosters