光学设备创建,引导和检测电磁波,包括激光,望远镜和太阳能电池。这些装置中使用的大多数材料对于某些应用是具有挑战性的,因为称为光学互易的现象是固有的对称性,其迫使光双向行进。基于应用的挑战的一个示例是高功率激光器,其中由光学互易性引起的背散射光可能损坏仪器。

发表在Nature Communications上的一项新研究描述了如何利用拓扑物理学的见解打破光学互惠。诱导拓扑状态,为材料注入新的特性,可以帮助创建光的“单向”系统,从而有可能在未来创建更高效​​的光学设备。该研究由博振助理教授和博士后李贺与Eugene Mele教授以及研究生Zachariah Addison和Jicheng Jin以及麻省理工学院的Steven Johnson教授共同领导。

虽然有一些天然存在的材料可以破坏光学互易性,但是这种磁光效应通常非常弱,并且这些材料只能用于静态系统。这些限制意味着材料太大而不能用于小型光电芯片。“这是一个存在的技术障碍,”Zhen说。“除了这种磁光效应,我们还在询问其他科学可能性可以实现类似的效果。”

Zhen和He研究了LiNbO 3,这是一种可以制成薄膜的光学材料,可以用作光电芯片和小型器件上的涂层。作为物理学家称之为非线性的一类光学材料,当置于动态设置中时,LiNbO 3可以破坏光学互易性,例如摇动而不是静止不动,或静态系统。

非线性光学材料很常见; 大多数教室激光指示器都有非线性光学晶体,可将不可见的红外光转换成可见的绿光。研究人员面临的障碍是非线性光学材料中的拓扑相很少知道,特别是当它们处于动态环境中时。

凭借研究人员在拓扑光子学和光电子应用材料研究方面的专业知识,他们开发了一种物理理论来解释非线性光学材料中发生的情况。为了证实这一理论,他对LiNbO3 光子晶体进行了模拟实验,发现如果材料处于动态系统中,则可以诱导拓扑相。

更重要的是,研究人员表示,这些拓扑阶段在电子系统中似乎没有直接的对应物,这可能会在未来的应用中产生独特的特征。“例如,我们可能还可以实现单向放大器或衰减器,”He说。

Zhen说他们的研究结果的一个微妙方面是它们提供了对动态系统中能量守恒的更好理解,这比静态系统更简单。例如,当光子的光经过一个动态系统,光子的数目保持相同,但能量的总量可以改变作为光子拾取或释放能量。更好地了解动态系统中的保守和不动,这是Zhen和他的团队研究的亮点之一。

作为为非线性光学材料拓扑状态的未来研究奠定基础的第一篇论文之一,这项工作可以为未来的理论工作提供指导,同时为即将到来的实验提供一个起点。

“这真是一个非常激动人心的领域的开始,”Zhen说。“我们制定了基本的理论框架,并表明即使静态系统是微不足道的,如果我们以正确的方式动摇它,它也会变得非常有趣。”