研究人员开发了非线性诱导的拓扑绝缘子

罗斯托克大学的研究人员已经开发出一种新型的非线性光子电路，其中强光束可以定义自己的路径，从而使自己不受外界干扰的影响。这一发现最近发表在著名的《科学》杂志上。

“光子是不守规矩的束，”亚历山大·萨梅特教授(Alexander Szameit)解释说，他的团队进行了开创性的实验。“一旦设法将它们赶到某个特定的时空地点，它们就会立即再次向各个方向扩散。” 确实，数百年来的研究一直致力于通过多种手段来塑造光的流动：镜片和曲面镜可以紧密地聚焦来自太阳的光线。强大的激光产生相干光束和短脉冲强光。和光纤电缆传送数量惊人的整个万维网光学编码数据。然而，光波却是令人惊讶的微妙的实体：镜头上的小裂纹，一束尘埃在激光束中漂移或光纤中的扭结可能会使将光转换成人类有史以来最灵活的工具的复杂机制变得不安。

电子拓扑绝缘体-不会在其内部导电的固体，但同时沿其表面却具有完美的导电性-Laurens Molenkamp及其团队在维尔茨堡大学于2007年首次通过实验实现。他们的光子同行让Szameit教授着迷了很长时间。这位物理学家回忆说：“自从我们首次实现光的拓扑绝缘体以来，我们一直在努力探索如何利用这些特殊的系统。”

尽管光子拓扑绝缘体可以沿着精确定义的路径引导光，并且其设计所依据的数学框架使它们具有对缺陷或外部干扰的前所未有的鲁棒性，但这些广受欢迎的特性也带来了巨大的障碍。合著者Matthias Heinrich博士总结说：“一旦注入拓扑通道，光脉冲就不会受到散射损失的影响，但是这种绝缘实际上也使它们几乎不可能在不脱离其保护环境的情况下得到控制。”社区。

当然，在纸面上，解决方案似乎很明显。“从原理上讲，这很容易。您所需要的只是一个开关，您可以随意翻转，以立即在两个光脉冲之间更改系统的拓扑属性。” Szameit讽刺说。但是，拓扑结构与波导电路的物理布置有着千丝万缕的联系，而超短激光脉冲的测量单位是飞秒(十亿分之一秒的百万分之一秒)，即使是最快的电子调制器也无法达到许多数量级。

在与罗斯托克大学，巴塞罗那ICFO，里斯本大学和莫斯科科学技术学院的理论家密切合作下，年轻的研究人员团队找到了一种方法，让光线自行决定是否进行拓扑保护或表现得像在常规介质中一样。Lukas Maczewsky博士详细阐述了“根据其峰值强度，光脉冲的行为可能具有根本不同的方式”。学生和作品的主要作者。“非线性是不可思议的词：在光子学中，有时二加二实际上不只是四个。” 经过两年的深入研究，并在罗斯托克大学物理研究所的实验室中进行了无数小时的研究，这些努力才得以实现。

非线性诱导的拓扑绝缘体(一种新颖的合成材料)允许超过一定阈值强度的光脉冲在其附近建立瞬态拓扑域。自我称赞的“星际迷航”迷Szameit生动地描绘了复杂的物理过程：“就像USS Enterprise升起盾牌一样，自生的保护性茧会跟随光脉冲并沿其选择的路径进行保护。”

成功的国际合作在量子光学领域，尤其是对光子拓扑绝缘体的研究方面，大大促进了基础科学的发展。在将这些部件组装到可用的光学量子计算机之前(世界各地的团体追求的圣杯)，尚需解决几个挑战。然而，物理学家的最新发现为许多创新应用带来了广阔前景，例如拓扑保护的全光信号处理和自我完善的光子神经网络。鉴于日新月异的进步，如今看来像科幻小说的这些观念很快就会成为现实。

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