Фотонні чіпи відкривають нові шляхи в динаміці світла

Новаторське дослідження поєднує PT-симетрію з топологією, пропонуючи нове уявлення про відкриті системи та потенціал для передових технологічних схем. Незалежно від того, описуєте орбіти планет чи внутрішню роботу атома, ключовою парадигмою фізики є збереження енергії: хоча різні форми енергії можуть перетворюватися одна в одну, загальна кількість енергії зазвичай вважається постійною з часом. Тому фізики зазвичай намагаються переконатися, що система, яку вони намагаються описати, не взаємодіє з навколишнім середовищем.

Проте, як виявилося, динаміка системи також може бути стабільною, якщо прибуток і втрата енергії розподіляються систематично таким чином, що вони компенсують один одного за всіх мислимих умов, що може бути забезпечено так званим паритетом. часова (PT) симетрія: Подібно до відео, яке відтворюється назад і одночасно відображається в дзеркалі, але виглядає точно так само, як оригінальне відео – тобто є PT-симетричним – компоненти в системі розташовані таким чином, що обмін посиленням і втратою світла через одночасне віддзеркалення та інверсію часу. робить систему незмінною. PT-симетрія не є суто академічним поняттям, але проклала шлях до глибшого розуміння відкритих систем.

Інновації з PT Symmetry

Захоплюючі фізичні явища, пов’язані з PT-симетрією, є спеціальністю професора Олександра Самейта з Університету Ростока. У їхніх нестандартних фотонних чіпах лазерне світло може імітувати поведінку природних і синтетичних матеріалів, які схожі на періодичні ґратчасті структури, що робить їх ідеальним випробувальним майданчиком для багатьох фізичних теорій.

Таким чином, професору Самейту та його команді вдалося поєднати PT-симетрію з концепцією топології. Топологія вивчає властивості, які не змінюються, незважаючи на постійну деформацію основної системи. Такі властивості роблять систему особливо стійкою до зовнішніх впливів.

Для своїх експериментів дослідницька група Шамейта використовує вписані лазером фотонні хвилеводи – оптичні структури, записані в матеріал лазерним променем. У цих «ланцюгах для світла» реалізовані так звані топологічні ізолятори. Замейт пояснює: «Останніми роками ці ізолятори привернули багато уваги через їхню захоплюючу здатність передавати потік електронів або світла без втрат уздовж своєї межі. Унікальна здатність пригнічувати вплив дефектів і розсіювання робить їх особливо цікавими для всіх видів технологічних застосувань».

Нові відкриття в області топологічних ізоляторів і відкритих систем

Однак до цього часу такі надійні граничні стани вважалися принципово несумісними з відкритими системами. У своїх спільних зусиллях дослідники з Ростока, Вюрцбурга та Індіанаполіса змогли показати, що очевидний парадокс можна вирішити шляхом динамічного розподілу прибутків і втрат у часі.

Перший автор, аспірант Олександр Фріче, уточнює: «Світло, що поширюється вздовж кордону нашої відкритої системи, схоже на туриста, який долає гірську місцевість. Незважаючи на всі злети і падіння, вони неминуче опиняться на початковій висоті початкової точки. Подібним чином, світло, що поширюється всередині захищеного крайового каналу нашого PT-симетричного топологічного ізолятора, ніколи не буде виключно підсиленим або затухаючим, і тому може зберігати свою середню амплітуду, насолоджуючись повною надійністю, яку забезпечує топологія».

Ці відкриття є важливим внеском у фундаментальне розуміння топологічних ізоляторів і відкритих систем і можуть відкрити ворота для нового покоління передових схем для електрики, світла або навіть звукових хвиль.