Квантовая физика Зала, неотъемлемо топологическая, была замечена в электронных устройствах и в разведенных атомных ансамблях. В двумерном электронном случае электрических токах вдоль лезвия/интерфейса («государства края») даже в присутствии дефектов или других физических искажений в образце – это является результатом глобальных свойств материала. Это странно, когда противопоставлено обычным проводникам/изоляторам, где транспорту препятствуют должный присутствие беспорядка.В проблеме этой недели ученых Фотоники Природы из Совместного Квантового отчета Института первое наблюдение за такими топологическими эффектами для света в двух размерах.
Чтобы достигнуть этого, они построили структуру, чтобы вести инфракрасный свет по поверхности комнатной температуры, чипа кремния на изоляторе. Удивительно, они непосредственно наблюдали свет, мчащийся вокруг границы, непроницаемой для дефектов. Эти фотонные «государства края» непосредственно походят на квантовый эффект Холла для электронов.Так как кремний – предпочтительный материал для большей части электроники, этот новый дизайн помогает с миниатюризацией оптических коммуникационных технологий, принося фотоны немного ближе их коллегам электронной схемы.
Работа – реализация теоретического предложения этой той же самой группой ученых JQI и их сотрудников больше чем год назад.Государства края и кольцевые резонаторы
Электроны могут занять топологические государства края, потому что они – заряженные частицы, энергетический спектр которых может быть существенно изменен большими магнитными полями. Чтобы упростить, магнитное взаимодействие ключевое для понимания кванта государства Холла. Вопрос здесь, чтобы спросить состоит в том, как исследователи могут проектировать материал, куда фотоны – невесомый, без обвинений, пакеты энергии – текут, как будто ими управляет супер сильный магнит. Другими словами, как может энергетический спектр света быть измененным, чтобы поддержать прочные топологические государства?
И на что похожи эти фотонные государства края?В дизайне JQI легкие шаги через 2D пейзаж, состоящий из почти плоских кольцевых кремниевых волноводов, назвали резонаторы.
Для сравнения арена для электронов, как правило, в двумерном интерфейсе между двумя листами полупроводника. То, что показали ученые JQI, было то, что действительно свет, при правильных обстоятельствах, может циркулировать вокруг края кремниевого чипа, без значительной потери энергии, и сделать так даже в присутствии дефектов.Множество кремниевых колец разработано, чтобы только позволить световым волнам внутри – «резонируют» – если у них есть правильная длина волны (окружность кольца, равняющегося составному количеству длин волны). Другими словами, если легкие настройки по частоте резонирующие условия кольца это войдет в волновод и сделает много схем.
Для менее легкого условия вне резонанса будет населять кольцо. Свет с одной поляризацией (подчеркивающее электрическое поле света или вниз) будет, кроме того, циркулировать предпочтительно в одном направлении вокруг кольца, по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Для энтузиастов, по часовой стрелке и против часовой стрелки способы, в сочетании с дизайном множества резонатора, позволяет фотонной системе походить на электрон (вращение), взаимодействующее с магнитом. Исследователи создали фотонную систему, которая испытывает так называемое синтетическое или эффективное магнитное поле [[посмотрите эту связь на предложение по дизайну этой той же самой группы и эту связь на синтетические области в ультрахолодных атомах]].Эта ломка симметрии путешествия вокруг колец – то, что может вызвать отмену – из легкого распространения через корпус устройства, но не вокруг края. Это также, что уменьшает сумму энергии света, потраченной впустую, когда легкий разброс или перемещается назад вокруг края или встречается с дефектом, таким как дефектное кольцо резонатора.
Таким образом устройство JQI показывает признак топологического поведения: постоянный поток в форме государства края и около неприкосновенности от дефектов. Ученые старались изо всех сил сознательно выключать некоторые резонаторы, таким образом моделируя промышленные условия массового производства – процесс, подверженный присутствию дефектных компонентов даже в лучшем из обстоятельств фальсификации. Они также продемонстрировали поток края в присутствии непредсказанных дефектов в устройстве.Во всех тех передачах от резонатора к резонатору, по крайней мере немного света теряется, и эта потраченная впустую энергия – то, что исследователи используют для изображения световые пути через устройство.
Когда множество резонатора настроено с правильной частотой и температурой для общей (нетопологической) передачи, это – то, что Вы получаете: легкие шаги через все множество. Однако, когда система настроена, чтобы облегчить государства края, конечно же, никакие легкие шаги через тело множества; это только окаймляет край множества – на прямой аналогии с электронным движением в кванте государство Холла. В частности, эта схема – реализация квантового вращения эффект Холла, где фотонный (псевдо-) вращения занимают место электронного обвинения.Возможные заявления«Настраивая резонаторы с температурой, мы можем сделать это топологическое множество довольно гибким», говорят Джейкоб Тейлор, один из исследователей JQI. «Множество не разработано для одной частоты только».
Кроме того, архитектура множества, которое может быть расширено до номера люкс потребность, согласуется с ожиданием, что компоненты, такие как это должны будут быть расширены для использования в будущих квантовых компьютерах, особенно те, которые используют фотоны в качестве частей гибридных систем электронного атома фотона.Ученый JQI и ведущий автор, Мохаммад Хэфези объясняет, почему государства края для фотонов могли бы иметь преимущество перед электронными государствами края для определенных заявлений: «Фотонные системы удивительно покорны, так как фотоны могут легко управляться в волноводах. Поэтому можно думать о создании фотонных систем с нетривиальной топологией, как полоса Mobius, торусы и т.д.».Что может быть сделано с фотонным множеством как это?
Одно прямое преимущество государств края – то, что множества могут использоваться для производства задержек фотонного жареного картофеля, где желательно замедлить сигнал, не будучи чувствительным к ошибкам фальсификации. Другое будущее использование: как фильтры и оптические выключатели.
Кроме того, концентрируя свет только в двух размерах, а не три, ученые JQI полагают, что они могут достигнуть определенных нелинейных квантовых эффектов, которые могут только произойти с интенсивным светом.