Der experimentelle Nachweis topologischer Dissipation in photonischen Resonatoren

Bisher haben Physiker vor allem topologische Phasen in konservativ gekoppelten Systemen untersucht. Das sind Systeme mit einer Dynamik, die sich nicht auflöst, und einem Phasenraum, der zeitlich nicht schrumpft. Sie stehen in krassem Gegensatz zu dissipativen Systemen, die thermodynamisch offene Systeme sind (dh außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts arbeiten), die durch eine Dynamik gekennzeichnet sind, die sich im Laufe der Zeit auflösen kann.

Forscher des California Institute of Technology, der Stanford University und anderer Institute weltweit haben kürzlich topologische Phasen in einem dissipativ gekoppelten System eingeführt und experimentell demonstriert. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Naturphysikkönnte letztendlich die Entwicklung neuer Technologien beeinflussen, die weniger anfällig für Herstellungsfehler sind.

„Unsere dissipativ gekoppelten topologischen Phasen manifestieren eine nicht triviale Topologie in den Dissipationseigenschaften eines Systems: ein grundlegend neues Konzept, das wir als topologische Dissipation bezeichnen“, sagte Alireza Marandi, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber Phys.org. „Die topologische Dissipation stellt eine neue Studienrichtung für die topologische Physik dar und hat das Potenzial, neuartige Geräte für die Festkörperelektronik, Phononik und Photonik zu inspirieren, die immun gegen Umgebungsgeräusche und widerstandsfähig gegen Herstellungsfehler sind.“

Neben der Demonstration topologischer Phasen in einem dissipativen System realisierten Marandi und seine Kollegen eine experimentelle Plattform, die das Studium der topologischen Physik verbessern könnte. Genauer gesagt verwendeten sie zeitgemultiplexte Resonatornetzwerke, um eine groß angelegte, flexible Plattform zum Studium der topologischen Photonik zu schaffen.

„In unserer Arbeit zeigen wir einige der Fähigkeiten der Plattform, zum Beispiel können wir im selben Aufbau ohne Hardwaremodifikationen die Randbedingungen ändern und mitten im Experiment von einem topologischen Gitter zu einem trivialen Gitter wechseln und Exotik studieren Dynamik“, erklärte Marandi. „Unsere Plattform ist leicht auf noch mehr synthetische Dimensionen skalierbar und kann komplexe Kopplungen mit großer Reichweite implementieren, was eine unkomplizierte Vorlage zum Studium der Physik in dicht verbundenen Gittern und in vier oder mehr Dimensionen darstellt.“

Die von Marandi und seinen Kollegen entworfene Plattform besteht aus einem Netzwerk photonischer Resonatoren, die durch „dissipative“ Verbindungen verbunden sind. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass jeder der die Resonatoren verbindenden Pfade einige Photonen austreten und bewirken kann, dass sie das Netzwerk verlassen, je nachdem, wie das Licht in der Verbindung mit dem Licht in den Resonatoren interferiert (z. B. konstruktiv oder destruktiv). Technisch gesehen hängt die Dissipation des von den Forschern geschaffenen Netzwerks von seiner Supermode und davon ab, wie diese Supermode angeregt wird.

„Wir haben analytisch gezeigt, dass in einem rein dissipativ gekoppelten Netzwerk, wenn das Netzwerk ein Gitter darstellt, in unserem Fall ein topologisches Gitter, die Dissipationsraten der Moden den Energiebändern des Gitters entsprechen würden, und wir konnten topologisches Verhalten beobachten diese Verlustraten“, sagte Marandi. „So konnten wir in einem konkreten Fall beobachten, dass der Gütefaktor der Supermode des Netzes topologisch gegen Störungen im Netz geschützt wäre.“

Die von Marandi und seinen Kollegen geschaffene Plattform wurde unter Verwendung handelsüblicher, auf Glasfasern basierender Komponenten hergestellt und mit einem Kurzpulslaser angetrieben. Um die optische Maschine zu programmieren und an ein bestimmtes Gitter anzupassen, verwendeten die Forscher ein FPGA-System, eine Hardwareschaltung, mit der logische Operationen ausgeführt werden.

Die von diesem Forscherteam erzielten Ergebnisse könnten die Grundlage für weitere theoretische Studien und Experimente bilden, die sich auf topologische Phasen in dissipativen Systemen konzentrieren. Darüber hinaus könnte die von den Forschern demonstrierte dissipativ gekoppelte topologische Phase auch für andere Bereiche der Physik relevant sein, einschließlich der Physik der kondensierten Materie, der Photonik und der Untersuchung ultrakalter Atome.

„Dissipativ gekoppelte topologische Phasen weisen robuste topologische Zustände mit isolierten Verlustraten auf“, sagte Marandi. „Diese Eigenschaft bietet auch eine neue Möglichkeit, die Dissipation eines Systems zu konstruieren, und könnte für die Entwicklung von Geräten wie Quantenspeichern, photonischen Sensoren und topologischen Verstärkern nützlich sein.“

In Zukunft könnten die jüngsten Arbeiten von Marandi und seinen Kollegen auch für Teams interessant sein, die sich auf ein relativ neues Forschungsgebiet konzentrieren, nämlich die nicht-hermitische topologische Physik. Tatsächlich könnten die dissipativen Eigenschaften der von ihnen enthüllten topologischen Phasen mit dem in nicht-hermiteschen Systemen beobachteten Gewinn und Verlust kombiniert werden, um neue topologische Effekte zu realisieren. Diese Effekte könnten wiederum die Entwicklung neuer, robuster und sehr leistungsfähiger Laser ermöglichen.

„Wir planen jetzt, grundlegende Physik zu studieren, die durch die Flexibilität und Skalierbarkeit unserer Maschine ermöglicht wird“, sagte Marandi. „In dieser Richtung untersuchen wir einige exotische topologische und nicht-hermitische Dynamiken, die außerhalb der Reichweite früherer experimenteller Plattformen lagen. Die andere Forschungsrichtung, die wir verfolgen, bezieht sich auf Anwendungen, da wir glauben, dass der Begriff der topologischen Dissipation sein kann eine zusätzliche Ressource für photonische Systeme. Insbesondere nutzen wir derzeit solche topologischen Phasen, um modengekoppelte Laser und photonische Sensoren zu entwickeln.“

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