在原子薄纳米材料的界面处捕获和控制光

光可以参与纳米尺度的特殊现象。探索这些现象可以解锁复杂的应用程序，并为深入了解光波与其他材料之间的相互作用提供有用的见解。

在最近的一项研究中，康奈尔大学的科学家提出了一种新颖的方法，通过该方法可以操纵和传输纳米级光。已知这些特殊的光传输模式会在稍微不同的纳米材料之间的微调界面处产生。这项研究的首席研究员Minwoo Jung通过一个简单的比喻说明了这一概念：“一个浮动管的中间有一个孔，但是普通的气球却没有。无论您如何挤压圆形气球，都无法像至少在没有弹出气球，重新编织橡胶和重新注入空气的情况下，它们是环形的。因此，管子和气球的拓扑结构是截然不同的，因为它们不是通过平滑的变形连接在一起的。”

荣格进一步解释说，物理学家对将两种拓扑结构不同的材料并排粘合起来很感兴趣，以使它们中的一个像气球一样起作用，而另一种像管子一样。这意味着必须在它们的界面处进行连接这两种材料的过程，就像从气球向管中戳/弹出/重新编织/重新注入一样。在适当的条件下，此过程可以为沿接口传输能量或信息提供强大的渠道。因为此过程可以应用于光(充当能量或信息的载体)，所以物理学的这一分支称为拓扑光子学。

Jung和他的团队将拓扑光子学的迷人概念与将光捕获在原子薄材料中的创新技术相结合。这种方法将应用物理学和基础物理学两个迅速出现的领域融合在一起：石墨烯纳米光和拓扑光子学。荣格说：“石墨烯是用于存储和控制纳米级光的有前途的平台，并且可能是片上和超紧凑型纳米光子器件(例如波导和腔体)开发的关键。”

该研究团队进行了仿真，其中涉及石墨烯片，该石墨烯片位于纳米图案材料上，该材料用作金属门。这种蜂窝状的金属栅由一层实心的材料组成，该材料具有以六边形的顶点为中心的不同大小的孔。这些孔的半径变化会影响光子穿过材料的方式。科学家发现，从战略上将两个不同的metagate“粘合”在一起会产生拓扑效应，以可预测，可控制的方式将光子限制在其界面处。

Metagate设计的不同选择说明了设备拓扑的维度层次。具体而言，根据metagate的几何形状，可以使纳米光沿着拓扑界面的一维边缘流动，或者可以拓扑存储在零维(点状)顶点上。而且，该级栅允许这些波导或腔的接通和关断电切换。这种电池供电的拓扑效应可以使拓扑光子学在实际设备中的技术应用受益。

Jung的团队乐观地认为，石墨烯纳米光与拓扑光子学的协同结合将推动光学，材料科学和固态物理学等相关研究领域的发展。他们的基于石墨烯的材料系统简单，高效，并且适用于纳米光子应用：在充分利用光的潜力方面迈出了一步。

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