Tot nu toe hebben natuurkundigen voornamelijk topologische fasen bestudeerd in conservatief gekoppelde systemen. Dit zijn systemen met een dynamiek die niet vervliegt en een faseruimte die niet krimpt in de tijd. Ze staan ​​in schril contrast met dissipatieve systemen, die thermodynamisch open systemen zijn (d.w.z. opererend vanuit thermodynamisch evenwicht) gekenmerkt door dynamiek die in de loop van de tijd kan verdwijnen.

Onderzoekers van het California Institute of Technology, Stanford University en andere instituten over de hele wereld hebben onlangs topologische fasen geïntroduceerd en experimenteel gedemonstreerd in een dissipatief gekoppeld systeem. Hun paper, gepubliceerd in Nature Physics , zou uiteindelijk kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe technologieën die minder vatbaar zijn voor fabricagefouten.

"Onze dissipatief gekoppelde topologische fasen manifesteren niet-triviale topologie in de dissipatie-eigenschappen van een systeem:een fundamenteel nieuw concept dat we topologische dissipatie noemen," vertelde Alireza Marandi, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org. "Topologische dissipatie presenteert een nieuwe studierichting voor topologische fysica en heeft het potentieel om nieuwe apparaten te inspireren voor solid-state elektronica, phononics en fotonica die immuun zijn voor omgevingslawaai en bestand tegen fabricage-imperfecties."

Naast het demonstreren van topologische fasen in een dissipatief systeem, realiseerden Marandi en zijn collega's een experimenteel platform dat de studie van topologische fysica zou kunnen verbeteren. Meer specifiek gebruikten ze in de tijd gemultiplexte resonatornetwerken om een ​​grootschalig, flexibel platform te creëren om topologische fotonica te bestuderen.

"In onze paper laten we enkele van de mogelijkheden van het platform zien, bijvoorbeeld in dezelfde opstelling zonder enige hardware-aanpassingen, we kunnen de randvoorwaarden wijzigen en midden in het experiment overschakelen van een topologisch rooster naar een triviaal rooster en exotische dynamiek", legt Marandi uit. "Ons platform is gemakkelijk schaalbaar naar nog meer synthetische dimensies en kan complexe langeafstandskoppelingen implementeren, wat een eenvoudig sjabloon biedt om natuurkunde te bestuderen in dicht verbonden roosters en in vier of meer dimensies."

Het door Marandi en zijn collega's ontworpen platform bestaat uit een netwerk van fotonische resonatoren, verbonden door "dissipatieve" verbindingen. Dit betekent in wezen dat elk van de paden die de resonatoren verbinden sommige fotonen kan lekken en ervoor kan zorgen dat ze het netwerk verlaten, afhankelijk van hoe het licht in de verbinding het licht in de resonatoren verstoort (bijvoorbeeld constructief of destructief). In meer technische termen hangt de dissipatie van het netwerk dat door de onderzoekers is gecreëerd af van de supermode en hoe deze supermode wordt opgewekt.

"We hebben analytisch aangetoond dat in een puur dissipatief gekoppeld netwerk, wanneer het netwerk een rooster vertegenwoordigt, een topologisch rooster in ons geval, de dissipatiesnelheden van de modi gelijk zouden zijn aan de energiebanden van het rooster en we zouden topologisch gedrag kunnen waarnemen in die dissipatiepercentages," zei Marandi. "In een specifiek geval zouden we bijvoorbeeld kunnen waarnemen dat de kwaliteitsfactor van de supermode van het netwerk topologisch beschermd zou zijn tegen storingen op het netwerk."

Het platform dat door Marandi en zijn collega's is gemaakt, is gefabriceerd met behulp van standaard op glasvezel gebaseerde componenten en werd aangedreven met een kortepulslaser. Om de optische machine te programmeren en aan te passen aan een specifiek rooster, gebruikten de onderzoekers een FPGA-systeem, een hardwarecircuit dat wordt gebruikt om logische bewerkingen uit te voeren.

De resultaten die door dit team van onderzoekers zijn behaald, kunnen de basis leggen voor verdere theoretische studies en experimenten die zich richten op topologische fasen in dissipatieve systemen. Bovendien zou de dissipatief gekoppelde topologische fase die door de onderzoekers werd aangetoond, ook relevant kunnen zijn voor andere gebieden van de fysica, waaronder de fysica van de gecondenseerde materie, fotonica en de studie van ultrakoude atomen.

"Dissipatief gekoppelde topologische fasen hebben robuuste topologische toestanden met geïsoleerde dissipatiesnelheden", zei Marandi. "Deze eigenschap biedt ook een nieuwe manier om de dissipatie van een systeem te ontwerpen en kan nuttig zijn voor het ontwerpen van apparaten zoals kwantumgeheugens, fotonische sensoren en topologische versterkers."

In de toekomst kan het recente werk van Marandi en zijn collega's ook interessant zijn voor teams die zich richten op een relatief nieuw onderzoeksgebied, namelijk de niet-Hermitische topologische fysica. In feite kunnen de dissipatieve eigenschappen van de topologische fasen die ze onthulden, worden gecombineerd met de winst en het verlies die worden waargenomen in niet-Hermitische systemen om nieuwe topologische effecten te realiseren. Deze effecten kunnen op hun beurt de ontwikkeling van nieuwe, robuuste en zeer krachtige lasers mogelijk maken.

"We zijn nu van plan om fundamentele fysica te bestuderen die mogelijk wordt gemaakt door de flexibiliteit en schaalbaarheid van onze machine", zei Marandi. "In die richting bestuderen we enkele exotische topologische en niet-Hermitische dynamieken die buiten het bereik van eerdere experimentele platforms lagen. De andere onderzoeksrichting die we nastreven heeft betrekking op toepassingen, omdat we geloven dat het begrip topologische dissipatie kan worden een extra bron voor fotonische systemen. Specifiek maken we momenteel gebruik van dergelijke topologische fasen om lasers met modusvergrendeling en fotonische sensoren te creëren." + Verder verkennen

Topologische fotonica in fractale roosters

© 2022 Science X Network