Вторник, 27 февраля, 2024
ДомойТехнологииФотонные чипы открывают новые пути в динамике света

Фотонные чипы открывают новые пути в динамике света

- Advertisement -

В Университете Ростока исследователи объединили PT-симметрию с топологией фотонных чипов, бросив вызов предыдущим представлениям об открытых системах и топологических изоляторах и проложив путь для инновационных технологических приложений. Фото: SciTechDaily.com

Инновационные исследования объединяют симметрию PT с топологией, предлагая новое понимание открытых систем и потенциал передовых технологических схем.

Описывая ли орбиты планет или внутреннюю работу атомКлючевой парадигмой физики является сохранение энергии: хотя различные формы энергии могут превращаться друг в друга, общее количество энергии обычно считается постоянным во времени. Поэтому физики обычно стремятся убедиться, что система, которую они пытаются описать, не взаимодействует с окружающей средой.

Однако, как оказывается, динамика системы также может быть стабильной, если прирост и потеря энергии распределяются систематическим образом так, что они компенсируют друг друга при всех мыслимых условиях, что может быть обеспечено так называемым паритетом. Симметрия времени (PT): Подобно видео, которое воспроизводится задом наперед и одновременно отражается в зеркале, но при этом выглядит точно так же, как исходное видео, т. е. является PT-симметричным, компоненты в системе расположены таким образом, что обмен усилением и потерей света посредством одновременного зеркалирования и обращения времени. заставляет систему выглядеть неизменной. PT-симметрия — это далеко не чисто академическое понятие, а проложившая путь к более глубокому пониманию открытых систем.

Исследовательская группа из Ростока, Вюрцбурга и Индианы впервые показала, что свет может распространяться без потерь в системах, взаимодействующих с окружающей средой. Для своих экспериментов они использовали волноводы, записанные лазером, как показано здесь — это оптические структуры, записанные в материал лазерным лучом. Здесь световой сигнал может распространяться надежно, стабильно и без потерь. Фото: Юлия Тецке/Университет Ростока.

Инновации с симметрией PT

Увлекательные физические явления, связанные с PT-симметрией, — это специальность профессора Александра Самейта из Университета Ростока. В их специальных фотонных чипах лазерный свет может имитировать поведение природных и синтетических материалов, которые расположены в виде периодических решетчатых структур, что делает их идеальным испытательным стендом для большого разнообразия физических теорий.

Таким образом, профессору Шамейту и его команде удалось объединить PT-симметрию с концепцией топологии. Топология изучает свойства, которые не изменяются, несмотря на постоянную деформацию базовой системы. Такие свойства делают систему особенно устойчивой к внешним воздействиям.

Для своих экспериментов исследовательская группа Самейта использует фотонные волноводы с лазерной записью — оптические структуры, записываемые в материал с помощью лазерного луча. В этих «схемах для света» реализуются так называемые топологические изоляторы. Самейт объясняет: «Эти изоляторы привлекли много внимания в последние годы из-за их удивительной способности передавать поток электронов или света без потерь вдоль своей границы. Уникальная способность подавлять влияние дефектов и рассеяния делает их особенно интересными для всех видов технологических приложений».

Топология встречается с открытыми системами: Топология занимается неизменными свойствами систем – как схематически показано на желтом рисунке выше слева со структурой, напоминающей пончик, количество отверстий в которой, а именно ровно одно отверстие, всегда остается неизменным. С другой стороны, симметрия четности – иллюстрируемая движением бабочки, которая выглядит одинаково, если ее перевернуть и отразить в зеркале – играет важную роль в стабильности открытых систем. Объединение этих двух понятий уже давно стало проблемой для исследователей, поскольку они казались несовместимыми. Однако теперь исследователи смогли показать, что движение светового сигнала (желтые точки и пик на конце красного маркера) движется устойчиво и стабильно вдоль края написанного лазером волновода, несмотря на взаимодействие с окружающей средой (нижнее изображение). Фото: Александр Фриче/Университет Ростока.

Новые открытия в топологических изоляторах и открытых системах

Однако до сих пор считалось, что такие устойчивые пограничные состояния принципиально несовместимы с открытыми системами. В своих совместных усилиях исследователи из Ростока, Вюрцбурга и Индианаполиса смогли показать, что кажущийся парадокс можно разрешить путем динамического распределения прибылей и потерь во времени.

Первый автор, аспирант Александр Фриче, уточняет: «Свет, распространяющийся вдоль границы нашей открытой системы, подобен путешественнику, пересекающему гористую местность. Несмотря на все взлеты и падения, они неизбежно вернутся на начальную высоту отправной точки. Точно так же свет, распространяющийся внутри защищенного краевого канала нашего PT-симметричного топологического изолятора, никогда не будет исключительно усиливаться или затухать и, следовательно, может сохранять свою среднюю амплитуду, сохраняя при этом полную надежность, обеспечиваемую топологией».

Эти открытия являются важным вкладом в фундаментальное понимание топологических изоляторов и открытых систем и могут открыть ворота новому поколению передовых схем для электричества, света или даже звуковых волн.

Ссылка: «Четность – симметричный по времени фотонный топологический изолятор» Александра Фриче, Тобиаса Бизенталя, Лукаса Дж. Мачевского, Каро Беккера, Макса Эрхардта, Матиаса Генриха, Ронни Томале, Йогеша Н. Йоглекара и Александра Самейта, 9 января 2024 г., Природные материалы.
DOI: 10.1038/s41563-023-01773-0

Это исследование финансировалось Немецким исследовательским фондом (DFG) и поддержано Фондом Альфреда Круппа фон Болена и Хальбаха.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме