Der Entwurf einer photonischen Legierung mit topologischen Eigenschaften

Photonische Legierungen, legierungsähnliche 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 Licht normalerweise in die Richtung zurück, aus der es stammt.

Dieses Phänomen, bekannt als Lichtrückstreuung, begrenzt die Übertragung von Daten und Energie und beeinträchtigt die Leistung der Materialien als Wellenleiter. Die zuverlässige Reduzierung oder Verhinderung der Lichtrückstreuung in photonischen Legierungen wird daher ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur praktischen Nutzung 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 die Ausbreitung von Mikrowellen ohne Lichtrückstreuung ermöglicht. Dieses Material, eingeführt In Briefe zur körperlichen Überprüfungkönnte den Weg für die Entwicklung neuer topologischer photonischer Kristalle ebnen.

„Unsere Arbeit stellt ein neues Konzept vor: die topologische photonische Legierung als nichtperiodisches topologisches Material“, sagte Lei Zhang, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Wir haben dies erreicht, indem wir nichtmagnetisierte und magnetisierte Stäbe in einer nichtperiodischen 2D-photonischen Kristallkonfiguration kombiniert haben. Dadurch entstanden photonische Legierungen, die chirale Randzustände im Mikrowellenbereich aufrechterhalten.“

Das Hauptziel der jüngsten Studie von Zhang und seinen Kollegen war die Entwicklung einer neuen photonischen Legierung mit topologischem Randzustand, wobei sie sich von den einzigartigen physikalischen Eigenschaften von Legierungen inspirieren ließen. Die Forscher schufen ihr Material durch zufälliges Mischen von Yttrium-Eisen-Granat-Stäben (YIG) und magnetisierten YIG-Stäben aus Substitutions- oder Interstitiallegierungen.

„In unserem Versuchsaufbau wird ein Vektornetzwerkanalysator verwendet, um Verbindungen zwischen der Quell- und der Sondenantenne herzustellen“, erklärte Zhang. „Die Quellantenne ist an einer bestimmten Position innerhalb 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 Vorgang zu erleichtern, befinden sich in einer Metallplatte kreisförmige Löcher, durch die beide Antennen eingeführt werden.“

Zhang und seine Kollegen verwendeten eine Metallummantelung, die als „topologisch triviales Material“ mit einer Chern-Zahl von Null diente. Wenn diese Ummantelung einen photonischen topologischen Isolator mit einer Chern-Zahl von 1 bedeckt, entsteht an ihrer Grenze ein topologischer Randzustand, der dem Prinzip der Volumen-Rand-Korrespondenz entspricht.

„Der Mikrowellenabsorber in diesem Aufbau soll die Übertragung von Randzuständen unterdrücken“, sagte Zhang. „Durch den Einsatz des Absorbers verhindern wir die Bildung einer geschlossenen Schleife innerhalb des gesamten Randzustands, die die genaue Charakterisierung nichtreziproker Phänomene beeinträchtigen könnte.“

Die Experimente dieses Forscherteams zeigten, dass ihre topologische photonische Legierung sogar bei einer geringen Dotierungskonzentration magnetisierter Stäbe topologische Eigenschaften aufweist, ohne dass hierfür eine Ordnung erforderlich wäre. Diese bemerkenswerte Entdeckung könnte neue Möglichkeiten für die experimentelle Realisierung topologischer Randzustände eröffnen, da sie nahelegt, dass chirale Randzustände erzeugt werden können, ohne die Zeitumkehrsymmetrie im gesamten Kristall zu zerstören.

„In unseren nächsten Studien planen wir, mehrkomponentige topologische photonische Legierungssysteme zu untersuchen“, fügte Zhang hinzu. „Mehrkomponentige Systeme verfügen über eine größere Anzahl von Freiheitsgraden, was die Manipulation verschiedener Parameter ermöglicht und zu einer größeren Bandbreite faszinierender Effekte führt. Darüber hinaus planen wir bald auch, die Möglichkeit zu untersuchen, ähnliche Phänomene bei optischen Frequenzen zu realisieren, und die Relevanz dieser Ergebnisse für photonische Anwendungen festzustellen, wäre äußerst spannend.“

Zhang und seine Kollegen hoffen, ihre jüngsten Erkenntnisse bald auf den optischen Bereich ausweiten zu können. Dies würde möglicherweise neue Möglichkeiten für die Manipulation von Licht und die Entwicklung innovativer photonischer Geräte eröffnen.

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