Schematische Darstellung einer topologischen photonischen Legierung. Der rote Stern zeigt die Position der Quelllinie und der Pfeil die Ausbreitungsrichtung des chiralen Randzustands an. Bildnachweis: Qu et al.
Photonische Legierungen, legierungsartige Materialien, die zwei oder mehr photonische Kristalle kombinieren, sind vielversprechende Kandidaten für die Entwicklung von Strukturen, die die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen steuern, auch Wellenleiter genannt. Trotz ihres Potenzials reflektieren diese Materialien das Licht im Allgemeinen in die Richtung, aus der es kommt.
Dieses als Lichtrückstreuung bezeichnete Phänomen schränkt die Übertragung von Daten und Energie ein und wirkt sich negativ auf die Leistung der Materialien als Wellenleiter aus. Die zuverlässige Reduzierung oder Verhinderung der Lichtrückstreuung in photonischen Legierungen wird daher ein entscheidender Schritt für den praktischen Einsatz dieser Materialien sein.
Forscher der Shanxi University und der Hong Kong University of Science and Technology haben kürzlich eine neue photonische Legierung mit topologischen Eigenschaften hergestellt, die eine Mikrowellenausbreitung ohne Lichtrückstreuung ermöglichen. Dieses Material, eingeführt in Briefe zur körperlichen Untersuchungkönnte den Weg für die Entwicklung neuer topologischer photonischer Kristalle ebnen.
„Unser Artikel stellt ein neues Konzept vor: die topologische photonische Legierung als nichtperiodisches topologisches Material“, sagte Lei Zhang, Co-Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „Dies erreichten wir durch die Kombination unmagnetisierter und magnetisierter Stäbe in einer nichtperiodischen 2D-photonischen Kristallkonfiguration. Dadurch entstanden photonische Legierungen, die chirale Randzustände im Mikrowellenbereich aufrechterhalten.“
Das Hauptziel der aktuellen Studie von Zhang und Kollegen bestand darin, eine neue photonische Legierung zu entwickeln, die einen topologischen Randzustand aufweist und sich dabei von den einzigartigen physikalischen Eigenschaften der Legierungen inspirieren ließ. Die Forscher stellten ihr Material durch zufälliges Mischen von Yttrium-Eisen-Granat-Stäben (YIG) und magnetisierten YIG-Stäben aus Substitutions- oder Interstitiallegierungen her.
Verteilung chiraler Randzustände in der topologischen photonischen Legierung. Die weißen Punkte geben die Positionen der unmagnetisierten YIG-Stäbe an, die schwarzen Punkte geben die Positionen der magnetisierten YIG-Stäbe an und der blaue Stern zeigt die Position der linearen Quelle an. Bildnachweis: Qu et al.
„In unserem Versuchsaufbau wird ein Vektornetzwerkanalysator verwendet, um Verbindungen zwischen den Quell- und Sondenantennen herzustellen“, erklärte Zhang. „Die Quellantenne ist an einer bestimmten Position in der Probe fixiert, während die Position der Sondenantenne variiert wird, um wertvolle Informationen über die Intensität und Phase der elektromagnetischen Wellen zu sammeln. Um diesen Prozess zu erleichtern, sind kreisförmige Löcher in einer Metallplatte vorhanden durch den die beiden Antennen eingeführt werden.
Zhang und seine Kollegen verwendeten eine metallische Beschichtung, die als „topologisch triviales Material“ mit einer Chern-Zahl von Null diente. Wenn diese Umhüllung einen photonischen topologischen Isolator mit einer Chern-Zahl gleich 1 bedeckt, entsteht an seiner Grenze ein topologischer Randzustand, der mit dem Bulk-Edge-Matching-Prinzip übereinstimmt.
„Der Mikrowellenabsorber in dieser Konfiguration zielt darauf ab, die Übertragung von Grenzzuständen zu unterdrücken“, sagte Zhang. „Durch den Einsatz des Absorbers vermeiden wir die Bildung eines geschlossenen Kreislaufs im gesamten Grenzzustand, der die genaue Charakterisierung nichtreziproker Phänomene beeinträchtigen könnte.“
Die von diesem Forscherteam durchgeführten Experimente zeigten, dass ihre topologische photonische Legierung selbst bei einer geringen Dotierungskonzentration von Stabmagneten topologische Eigenschaften aufweist, ohne dass eine Ordnung erforderlich ist. Diese bemerkenswerte Entdeckung könnte neue Möglichkeiten für die experimentelle Realisierung topologischer Randzustände eröffnen, da sie darauf hindeutet, dass chirale Randzustände erzeugt werden können, ohne die Zeitumkehrsymmetrie im gesamten Kristall zu brechen.
„In unseren nächsten Studien planen wir, topologische photonische Mehrkomponenten-Legierungssysteme zu untersuchen“, fügte Zhang hinzu. „Mehrkomponentensysteme verfügen über eine größere Anzahl an Freiheitsgraden, was die Manipulation verschiedener Parameter ermöglicht und zu einem breiteren Spektrum faszinierender Effekte führt. Darüber hinaus planen wir bald, die Möglichkeit zu untersuchen, ähnliche Phänomene in optischen Frequenzen zu realisieren und die Relevanz festzustellen.“ Die Ergebnisse dieser Ergebnisse für photonische Anwendungen wären sehr faszinierend.
Zhang und seine Kollegen hoffen, ihre jüngsten Entdeckungen bald auf den optischen Bereich auszuweiten. Dies würde möglicherweise neue Möglichkeiten für die Manipulation von Licht und die Entwicklung innovativer photonischer Geräte eröffnen.
Mehr Informationen:
Tiantao Qu et al., topologische photonische Legierung, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.223802. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.05168
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Zitat: Das Design einer photonischen Legierung mit topologischen Eigenschaften (19. Juni 2024), abgerufen am 19. Juni 2024 von https://phys.org/news/2024-06-photonic-alloy-topological-properties.html
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