Свет распространяется по прямой линии. Это слово, написанное нашим здравым смыслом. У ученых есть способ повернуть свет. Чжэцзянский университет и Технологический университет Наньяна в Сингапуре создали первый в мире трехмерный оптический топологический изолятор. На "автомагистрали" трехмерного материала луч света идеально выбежал из "Z" - зигзага. Соответствующие статьи были недавно опубликованы в журнале Nature.
Если бы свет был как вода, было бы скрытое чудо.
Изгиб света имеет много интересных явлений, и невидимый плащ является одним из них. В 2003 году соавтор статьи Чэнь Хуншэн создал невидимое устройство в видимом диапазоне, которое позволяет золотым рыбам, кошкам и другим животным приседать перед глазами.
« Мы можем позволить свету течь, как вода, не рассеивая его на поверхности объекта, как ручей, протекающий через камень, обходя форму камня и продолжая распространяться в первоначальном направлении», - сказал Чэнь Хуншэн, человеческий глаз не может распознать объект без рассеянного света.
В нематериальном списке ученых примеси и дефекты материала занимают важное место. Когда электромагнитные волны распространяются через световые волноводы или через интерфейс среды, примеси и дефекты, встречающиеся на пути, могут привести к рассеянию электромагнитных волн, что приводит к снижению эффективности передачи. « Если вы можете спроектировать новый тип волновода, который делает эти факторы рассеяния « невидимыми», это значительно повысит эффективность передачи, и в будущем будут значительные перспективы применения», - сказал Чэнь Хуншэн.
Во многих устройствах электромагнитные волны должны быть согнуты. « В нынешней технической системе, как только диапазон поворотов большой, электромагнитные волны рассеиваются, влияя на эффективность передачи. Малый диапазон поворотов не способствует экономии пространства», - считает один ученый, занимающийся исследованиями электромагнитных волн, это реализация будущих фотонных чипов. Это огромная задача. « Когда мы хотим совершить резкий поворот, мы не хотим расходиться.
От электронов к фотонам, исследования продвигаются вперед.
Д - р Ян Ихао из Школы информатики и электроники Чжэцзянского университета, первый автор статьи, сказал, что топологические изоляторы являются самым популярным материалом в физике конденсированного состояния и источником вдохновения для этого исследования. Топологический изолятор является поверхностно - проводящим, внутренним изоляционным материалом, который позволяет электронам распространяться вокруг поверхности материала, не « пересекая » внутреннюю часть материала.
Известный ученый Чжан Шуйи, представляя топологические изоляторы широкой публике, сравнивает их с « автомагистралью»: движение электронов в чипе похоже на спортивный автомобиль, движущийся по рынку, постоянно сталкиваясь и генерируя тепло. Топологические изоляторы, по - видимому, создают шоссе для электронных устройств, которые могут работать на « односторонних полосах»
Электронные "автомагистрали", фотоны могут работать? В 2005 году Дункан Холдейн из Принстонского университета (лауреат Нобелевской премии по физике 2016 года) провел теоретический эксперимент по расширению теории топологических изоляторов на оптические системы до официального выпуска теории оптических топологических изоляторов в 2008 году.
В 2009 году ученые Массачусетского технологического института впервые экспериментировали с двумерными оптическими топологическими изоляторами и начали экспериментальные исследования оптических топологических изоляторов.
В настоящее время экспериментальные исследования оптических топологических изоляторов по - прежнему ограничиваются двумерными материалами. В 2017 году команда профессора Александра из Городского университета Нью - Йорка представила теорию проектирования трехмерных оптических топологических изоляторов без магнитных материалов. « Мы очень обеспокоены этой работой, но ее параметры очень требовательны», - сказал Ян Ихао.

 

Совместная исследовательская группа Чжэцзянского университета и Наньянского технологического университета в Сингапуре начала экспериментировать с созданием новой экспериментальной системы. Это первый научный эксперимент с оптическим трехмерным топологическим изолятором.
« Проблема нагрева электронных чипов, топологические изоляторы дают хорошее решение; проблема рассеивания информации фотонных чипов, ученые надеются дать решение с помощью оптических топологических изоляторов», - сказал Ян Ихао.
Построить "Z" - образное шоссе, чтобы фотоны "бегали"
От электронных систем до фотонных систем, от двухмерных до трехмерных, существует много существенных различий между объектами исследования, и эксперименты столкнулись с беспрецедентными трудностями. Сначала у них даже не было готового экспериментального оборудования для измерения.
Ян Ихао умело спроектировал единую структуру, состоящую из нескольких открытых резонаторов. « Это дорожное полотно автомагистрали и ключ к успеху испытания», - сказал Чэнь Хуншэн. Наконец, совместная исследовательская группа впервые реализовала трехмерный оптический топологический изолятор с широкополосным топологическим разрывом.
« Шоссе» фотонов трехмерного мира имеет форму « Z». Когда поверхностная волна распространяется через интерфейс, она может обойти Z - образный угол без каких - либо проблем. « Изучая распределение электромагнитного поля внутри и на поверхности материала, мы наблюдали трехмерный энергетический зазор материала и поверхностное состояние двумерного конуса Дирака, которые являются ключевыми характеристиками трехмерных оптических топологических изоляторов», - сказал Ян Ихао.
Чэнь Хуншэн сказал: « Для поверхностных волн эти углы кажутся невидимыми, и они могут эффективно распространяться в обход угла, что является функцией топологической защиты 3D - оптических топологических изоляторов». В этом и заключается магия « Фотонной магистрали». « На этой автомагистрали, как бы извилистой ни была дорога, фотоны могут двигаться вперед», - сказал Ян Ихао, чтобы избежать проблемы рассеяния света, вызванного рассеянием информации.
« Наша работа впервые дала трехмерным фотонным зональным топологическим свойствам, то есть в будущем трехмерные топологические фотонные кристаллы могут использоваться для управления фотонами, как трехмерные топологические изоляторы», - сказал соисследователь, профессор Чжан Байле из Наньянского технологического университета в Сингапуре.
Чэнь Хуншэн считает, что исследование впервые расширило трехмерный топологический изолятор от подсистемы Ферми до бозонной подсистемы и может быть применено к трехмерным топологическим оптическим интегральным схемам, топологическим волноводам, оптическим линиям задержки, топологическим лазерам и другим поверхностным устройствам управления электромагнитными волнами.