Искусственный материал защищает световые состояния на мельчайших масштабах длины.
Свет не только играет ключевую роль в качестве носителя информации для оптических компьютерных микросхем, особенно для квантовых компьютеров следующего поколения. Его наведение без потерь вокруг острых углов на крошечных микросхемах и точный контроль его взаимодействия с другим источником света являются предметом исследований во всем мире. Ученые из Падерборнского университета продемонстрировали пространственное ограничение световой волны в точке, меньшей длины волны в топологическом фотонном кристалле. Это искусственные электромагнитные материалы, облегчающие надежное управление светом. Состояние защищено особыми свойствами и важно, например, для квантовых чипов. Результаты теперь опубликованы в Science Advances.
Топологические кристаллы функционируют на основе определенных структур, на свойства которых в значительной степени не влияют возмущения и отклонения. В то время как в обычных фотонных кристаллах эффекты, необходимые для манипулирования светом, хрупки и могут зависеть от дефектов в структуре материала, например, в топологических фотонных кристаллах, условия защищены от этого. Топологические структуры обеспечивают такие свойства, как однонаправленное распространение света и повышенная надежность для направления фотонов, функции, которые имеют решающее значение для будущих световых технологий.
Фотонные кристаллы влияют на распространение электромагнитных волн с помощью оптической запрещенной зоны для фотонов, которая блокирует движение света в определенных направлениях. Обычно происходит рассеяние — одни фотоны отражаются назад, а другие — в противоположную сторону. «С топологическими состояниями света, которые охватывают расширенный диапазон фотонных кристаллов, вы можете предотвратить это. В обычных оптических волноводах и волокнах обратное отражение представляет собой серьезную проблему, поскольку приводит к нежелательной обратной связи. Потери при распространении препятствуют крупномасштабной интеграции в оптические микросхемы. »
Эта концепция, которая берет свое начало в физике твердого тела, уже привела к многочисленным приложениям, включая надежную передачу света, топологические линии задержки, топологические лазеры и квантовую интерференцию. «Также недавно было доказано, что топологические фотонные кристаллы, основанные на слабой топологии с кристаллической дислокацией в периодической структуре, также проявляют эти особые свойства, а также поддерживают так называемые топологически защищенные сильно пространственно локализованные световые состояния. Когда что-то топологически защищено, любые изменения параметров не влияют на защищаемые свойства. Локализованные состояния света чрезвычайно полезны для нелинейного усиления, миниатюризации фотонных компонентов и интеграции фотонных квантовых чипов », — добавляет Зентграф. В контексте,
В совместном эксперименте исследователи из Падерборнского университета и RWTH Aachen University использовали специальный ближнепольный оптический микроскоп, чтобы продемонстрировать существование таких сильно локализованных световых состояний в топологических структурах. «Мы показали, что универсальность слабой топологии может создавать сильно локализованное в пространстве оптическое поле в намеренно индуцированной структурной дислокации», — объясняет Джинлонг Лу, доктор философии. студент группы Зентграфа и ведущий автор статьи. «Наше исследование демонстрирует жизнеспособную стратегию достижения топологически защищенного, локализованного нульмерного состояния для света», — добавляет Зентграф. Своей работой исследователи доказали, что микроскопия ближнего поля является ценным инструментом для характеристики топологических структур с наноразмерным разрешением на оптических частотах.
Полученные данные создают основу для использования сильно локализованных оптических световых состояний на основе слабой топологии. Таким образом, материалы с фазовым переходом и настраиваемым показателем преломления также могут быть использованы в наноструктурах, используемых в эксперименте для создания надежных и активных топологических фотонных элементов. «Сейчас мы работаем над концепциями оснащения дислокационных центров в кристаллической структуре специальными квантовыми излучателями для генерации одиночных фотонов», — говорит Зентграф, добавляя: «Затем они могут быть использованы в будущих оптических квантовых компьютерах, для которых генерация одиночных фотонов играет важную роль. важная роль «.
