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来自美国宾夕法尼亚州立大学，匹兹堡大学和伊利诺斯大学的研究小组研究出一种限制光线的新方法，用该方法控制光线可以使光线对材料缺陷不敏感。该方法基于“拓扑保护”，这是一个广泛用于固态电子物理的概念，它可以帮助降低成本，同时提高光子器件的速度。 图为拓扑晶体绝缘体晶格几何中的波导阵列横截面的显微镜图像 利用波导晶格结构，研究小组能够保护中间带隙处的模式频率并且使光子缺陷模式体积最小化。光线进入波导阵列的一端，并在通过波导传播时被捕获并被限制，被困的光线不受波导中的缺陷影响，并且能够承受晶格结构中的显著缺陷。据研究人员介绍，这种现象被称为拓扑保护，光线变得不灵敏。 研究人员Mikael Rechtsman教授表示：“波导结构是所谓拓扑晶体绝缘体的光子模拟，这种形式的拓扑保护可以用于一系列光子器件，包括纳米级激光器，专用非线性光纤，以及用于稳定、精确耦合光子和电子以处理量子信息等。” 研究人员通过观察局限于阵列角落的拓扑零模的存在，在飞秒激光写入的波导阵列中展示了这种方法。该模式的稳健性由拓扑不变量保证，该拓扑不变量保护嵌入二维环境中的零维状态。据研究人员介绍，这个实验展示了一种以前没有证明的拓扑保护形式。 这种限制光线的方法可以使光子器件的生产成本更低，同时效率更高。该实验提供了拓扑保护的潜在跨学科应用，联合光子学和固态电子学的例子，并展示了超出电子固态物理学这一现象的广泛适用性。 Rechtsman强调了捕捉光线并将其限制在非常小的空间中的重要性和挑战。 Rechtsman说：“它将最大的光功率压缩到材料内部的最小区域或体积中，使其与材料之间的相互作用更强烈，因此无论它做什么都更有效。该方法的挑战是强烈的禁闭使它对材料的任何缺陷都非常敏感，这往往会抑制效率，或者使器件的制造成本非常昂贵。我们的结果表明我们可以克服这个困难。” “Topological protection of photonic mid-gap defect modes”Jiho Noh, Wladimir A. Benalcazar, Sheng Huang, Matthew J. Collins, Kevin P. Chen, Taylor L. Hughes & Mikael C. Rechtsman. Nature Photonics (2018). doi:10.1038/s41566-018-0179-3.
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