Natuurkundigen van de Universiteit van Rostock, de Cluster of Excellence ct.qmat, de Julius-Maximilians Universiteit van Würzburg en de Indiana University Indianapolis (IUPUI) hebben voor het eerst aangetoond dat licht zich zonder enig verlies kan voortplanten in systemen die interageren met hun omgeving . Voorheen werd aangenomen dat dergelijke open systemen onvermijdelijk een exponentiële versterking of demping van licht zouden vertonen en daardoor tot instabiliteit van het systeem zouden leiden.

Deze nieuwe resultaten zijn onlangs gepubliceerd in Nature Materials . De bevindingen zouden de basis kunnen vormen voor de toekomstige ontwikkeling van nieuwe robuuste circuits voor elektriciteit, licht en geluidsgolven.

Of het nu gaat om het beschrijven van de banen van planeten of de innerlijke werking van het atoom, een belangrijk paradigma in de natuurkunde is het behoud van energie. Hoewel verschillende vormen van energie in elkaar kunnen worden omgezet, wordt doorgaans aangenomen dat de totale hoeveelheid energie in de loop van de tijd constant is. Daarom hebben natuurkundigen er meestal de neiging voor te zorgen dat het systeem dat ze proberen te beschrijven geen interactie heeft met zijn omgeving.

Maar het blijkt dat de dynamiek van een systeem ook stabiel kan zijn als de winst en het verlies aan energie op een systematische manier worden verdeeld, zodat ze elkaar onder alle denkbare omstandigheden opheffen, wat kan worden verzekerd door zogenaamde pariteit. -tijd (PT) symmetrie.

Net als bij een video die achterstevoren wordt afgespeeld en tegelijkertijd in een spiegel wordt gereflecteerd en er toch precies zo uitziet als de originele video (d.w.z. PT-symmetrisch is), zijn de componenten in het systeem zo gerangschikt dat een uitwisseling van winst en verlies van licht door de gelijktijdige spiegeling en tijdomkering zorgt ervoor dat het systeem onveranderd lijkt.

Verre van een puur academisch begrip te zijn, heeft PT-symmetrie de weg vrijgemaakt voor een dieper begrip van open systemen.

De fascinerende fysische verschijnselen die verband houden met PT-symmetrie zijn de specialiteit van professor Alexander Szameit en zijn team aan de Universiteit van Rostock. In hun op maat gemaakte fotonische chips kan laserlicht het gedrag nabootsen van natuurlijke en synthetische materialen die zijn gerangschikt in periodieke roosterstructuren, waardoor ze een ideaal testbed vormen voor een grote verscheidenheid aan fysische theorieën.

Op deze manier zijn professor Szameit en zijn team erin geslaagd om PT-symmetrie te combineren met het concept van topologie. Topologie bestudeert eigenschappen die niet veranderen ondanks dat het onderliggende systeem voortdurend wordt vervormd. Dergelijke eigenschappen maken een systeem dan bijzonder robuust tegen invloeden van buitenaf.

Voor hun experimenten maakt de onderzoeksgroep van Szameit gebruik van met laser ingeschreven fotonische golfgeleiders:optische structuren die door een laserstraal in een materiaal worden geschreven. In deze "circuits voor licht" worden zogenaamde topologische isolatoren gerealiseerd. Szameit legt uit:‘Deze isolatoren hebben de afgelopen jaren veel aandacht getrokken vanwege hun fascinerende vermogen om een ​​verliesloze stroom elektronen of licht langs hun grens te transporteren. Het unieke vermogen om de impact van defecten en verstrooiing te onderdrukken maakt ze bijzonder interessant voor iedereen. soorten technologische toepassingen."

Tot nu toe werd echter gedacht dat dergelijke robuuste grenstoestanden fundamenteel onverenigbaar waren met open systemen. In hun gezamenlijke inspanning konden de onderzoekers uit Rostock, Würzburg en Indianapolis aantonen dat de schijnbare paradox kan worden opgelost door winst en verlies dynamisch over de tijd te verdelen.

Eerste eerste auteur, Ph.D. student Alexander Fritzsche legt uit:"Het licht dat zich langs de grens van ons open systeem voortplant, is als een wandelaar die bergachtig terrein doorkruist. Ondanks alle ups en downs zullen ze onvermijdelijk terugkomen op de oorspronkelijke hoogte van het startpunt.

"Op dezelfde manier zal het licht dat zich voortplant binnen het beschermde randkanaal van onze PT-symmetrische topologische isolator nooit exclusief worden versterkt of gedempt, en kan het daarom zijn gemiddelde amplitude behouden terwijl het profiteert van de volledige robuustheid die de topologie biedt."

Deze bevindingen leveren een belangrijke bijdrage aan het fundamentele begrip van topologische isolatoren en open systemen, en kunnen de poorten openen naar een nieuwe generatie geavanceerde circuits voor elektriciteit, licht of zelfs geluidsgolven.

Meer informatie: Alexander Fritzsche et al, Pariteit-tijd-symmetrische fotonische topologische isolator, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01773-0

Journaalinformatie: Natuurmaterialen

Aangeboden door Universiteit van Rostock