Topologische ideeën hebben onlangs het middelpunt van de moderne elektromagnetisme ingenomen. Typische topologische fotonische systemen zijn gebaseerd op niet-wederkerige materialen, een klasse van materialen die asymmetrische licht-materie-interacties mogelijk maakt. In het bijzonder kunnen niet-wederkerige platforms unidirectionele kanalen ondersteunen die voortplanting in een bepaalde richting van de ruimte mogelijk maken - laten we zeggen van links naar rechts, maar niet andersom. Dergelijke unidirectionele geleiders zijn van cruciaal belang in optische systemen omdat hun modulaire ontwerpen eenrichtingsinteracties met zich meebrengen die de optische isolatie van de verschillende modules vereisen.

Hoewel de topologische eigenschappen van een materiaal zijn geworteld in abstracte wiskundige concepten, kunnen ze op een eenvoudige fysieke manier worden gedestilleerd. Beschouw het probleem van het met elkaar verbinden van een aantal verschillende niet-wederkerige materialen - laten we zeggen vijf, bijvoorbeeld, op een kruispunt, zoals plakjes van een taart. Alle materialen werken in een frequentiebandopening waar ze de voortplanting in hun bulkregio's niet ondersteunen. Elk van de interfaces kan echter een bepaald aantal unidirectionele randtoestanden ondersteunen, die zich ofwel naar het knooppunt kunnen voortplanten of er vanaf.

Beweren dat een systeem topologisch is, is een geraffineerde manier om te zeggen dat het in de beschreven situatie van de taartachtige interfacematerialen onmogelijk is om een ​​constructie te bedenken waarbij het aantal inkomende stralingskanalen verschilt van het aantal uitgaande kanalen. Met andere woorden, in topologische systemen is er een gedwongen balans tussen het aantal inkomende kanalen en het aantal uitgaande kanalen, analoog aan het behoud van stroom in de circuitwetten van Kirchhoff. Als het aantal inkomende en uitgaande kanalen zou kunnen verschillen, zou het in feite mogelijk zijn om een ​​bekrachtiging te bedenken die continu energie van een bron naar het knooppunt zou overbrengen. In een dergelijke situatie kan alleen een thermodynamisch evenwicht worden bereikt als de energie die bij de kruising aankomt, wordt afgevoerd als warmte.

Nu, zoals gerapporteerd in Geavanceerde fotonica , hebben onderzoekers aangetoond dat een dergelijk gekunsteld scenario inderdaad kan worden waargenomen in realistische fysieke systemen. Ze onderzoeken het feit dat niet-wederkerige systemen met een continue translatiesymmetrie een slecht gedefinieerde topologie hebben. Ze laten zien dat, in tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, een kruising van niet-wederkerige materialen niet noodzakelijkerwijs gebonden is aan een balancerende beperking van het aantal in/uit-kanalen.

Het team heeft experimenteel geverifieerd dat, door twee golfgeleiders te combineren, een met een slecht gedefinieerde topologie en een andere met een goed gedefinieerde topologie, het mogelijk is om een ​​randmodus onmiddellijk te stoppen op de kruising tussen de golfgeleiders, waardoor een topologische singulariteit. De golf wordt gestopt in zijn sporen bij de singulariteit, die kan worden afgebeeld als een energieput waar alle binnenkomende energie wordt geconcentreerd en uiteindelijk wordt gedissipeerd op een enkel punt in de ruimte. Deze opwindende ontwikkelingen suggereren een nieuwe manier om topologische singulariteiten te bereiken die extreme golfverschijnselen vertonen. Dit kan nuttig zijn voor het oogsten van energie en om niet-lineaire effecten te versterken. + Verder verkennen

Onderzoekers kondigen doorbraak foton-fonon aan