科学家观察光子晶体中的新奇现象

图表说明了一对特殊点(红色圆点)周围的不寻常拓扑景观,显示了费米弧(中心的粉红色线)的出现,以及形成了莫比乌斯带状结构的异国极化轮廓,像纹理(顶部和底部条纹)。

拓扑效应,例如在表面导电的晶体中发现的物体,而其体积没有,在近年来一直是物理学研究的一个令人兴奋的话题,并且是2016年诺贝尔物理学奖的主题。现在,麻省理工学院和其他地方的一个研究小组已经在不同类别的系统中发现了新的拓扑现象 - 开放系统,其中能量或材料可以进入或被排出,而不是与外部没有这种交换的封闭系统。

出版物:恒恒周等人,”观察大量费米弧和配对异常点的极化半电荷“,科学,2018年; DOI:10.1126 / science.aap9859

本周在科学杂志“Science / em&gt”上发表了一篇论文,这篇论文是麻省理工学院毕业生Hengyun“Harry”Zhou,麻省理工学院访问学者Chao Peng(北大教授),麻省理工学院研究生Yoseob Yoon,麻省理工大学毕业生Bo Zhen和徐伟,MIT麻省理工学院教授MarinSoljačić,Francis Wright Davis物理学教授John Joannopoulos,Haslam和Dewey化学教授Keith Nelson以及Lawrence C.和Sarah W. Biedenharn职业发展助理梁福教授。

在大多数拓扑物理效应领域的研究中,Soljačić说,所谓的“开放”系统 - 在物理学术语中称为非厄米特系统 - 在实验工作中没有太多研究。测量或分析能量或物质通过辐射增加或减少的现象所涉及的复杂性通常会使这些系统更难以受控的方式进行研究和分析。

但是在这项工作中,团队使用了一种使这些开放系统可访问的方法,并且“我们在这些非Hermitian系统中发现了有趣的拓扑性质,”Zhou说。特别是,他们发现了两种特殊的效应,这些效应是非厄米特系统的独特拓扑特征。其中一种是他们称之为大块费米弧的带状特征,另一种是由用于研究的光子晶体发射的不寻常类型的改变极化或光波定向。

光子晶体是一种材料,其中数十亿个非常精确的形状和定向的小孔被制造,从而使光线以不寻常的方式与材料相互作用。这种晶体已被积极地研究,它们在光与物质之间引起的外来相互作用,这种相互作用具有新型基于光的计算系统或发光装置的潜力。但是,尽管这些研究大部分都是使用封闭的Hermitian系统完成的,但大多数潜在的现实世界应用都涉及开放系统,因此这个团队所做的新观察可能会开辟全新的研究领域。

费米弧是团队发现的独特现象之一,它违背了能量轮廓必然是闭合曲线的常见直觉。它们之前在封闭系统中被观察过,但在那些系统中它们总是在三维系统的二维表面上形成。在这项新研究中,研究人员首次发现了一个驻留在大部分系统中的费米弧。这种体积费米弧在发射方向上连接两个点,这被称为特殊点 - 拓扑拓扑系统的另一个特征。

他们观察到的另一现象包括一个光场,其中偏振根据发射方向而变化,随着沿着环路的方向逐渐形成半扭曲并返回到起点。 “当你环绕这块晶体时,光的偏振实际上会翻转,”周说。

他解释说,这种半扭曲与莫比乌斯带类似,其中一条纸在将其连接到另一端之前扭曲半圈,形成仅具有一侧的带。 Zhen说,这种类似于Möbius的光线偏振扭曲理论上可能会导致增加可通过光纤链路发送的数据量的新方法。

新工作“主要是科学兴趣,而不是技术,”Soljačić说。 Zhen补充说,“现在我们有了一个非常有趣的技术来探究非厄米特系统的特性。”但是,这项工作也有可能最终导致新器件,包括新型激光器或发光器件,它们说。

这些新发现是通过许多相同团队成员的早期研究而成为可能的,他们发现了一种使用光子晶体散射的光来产生直接图像的方法,该图像可以揭示材料的能量轮廓,而不必计算

“我们有一种预感,”这种半扭曲的行为是可能的,并且可能会“相当有趣”,Soljačić说,但实际上发现它需要“相当多的搜索来弄清楚,我们如何实现它”?

“也许这项工作最巧妙的方面是作者使用这样一个事实,即他们的系统必然会失去光子,这通常是一个障碍和烦恼,以获得新的拓扑物理学,”宾夕法尼亚大学物理学助理教授Mikael Rechtsman说。没有参与这项工作的州立大学。 “如果没有这个损失......这将需要非常复杂的三维制造方法,这可能是不可能的。”换句话说,他说,他们开发的技术“让他们能够获得传统上的二维物理学认为不可能。“

这项工作得到陆军研究办公室通过士兵纳米技术研究所的支持;由美国能源部资助的能源前沿研究中心S3TEC;美国空军;和“国家科学基金会”

“我们有一种预感,”这种半扭曲的行为是可能的,并且可能是“相当有趣的”,Soljačić说,但实际上发现它需要“相当多的搜索来弄清楚,我们怎么样使之成为现实?“

这可能会打开一些基础物理研究的新领域,该团队说,并且可能最终导致新的激光器和其他技术。