Topologische fasebeschermingspakketten voor subkenmerken

Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van de Nankai Universiteit in China en de Universiteit van Zagreb in Kroatië heeft samen met een team van het Nationaal Instituut voor Wetenschappelijk Onderzoek (INRS) in Canada, onder leiding van Roberto Morandotti, belangrijke vooruitgang geboekt in de studie van topologie . stadia. zij de bevindingen Onlangs gepubliceerd in natuur fysica – Een tijdschrift uitgegeven door Nature Publishing Group.

In het afgelopen decennium heeft topologische fotonica steeds meer aandacht gekregen vanwege de unieke mogelijkheden om lichtmanipulatie te realiseren met hoge prestaties op het gebied van robuustheid en stabiliteit. Ontdekkingen in topologische fotonica hebben de weg vrijgemaakt voor de ontwikkeling van een nieuwe generatie fotonische apparaten, zoals topologische en holtelasers, die topologisch beschermde toestanden hebben die immuun zijn voor verstoringen en defecten. Het concept van topologie in de natuurkunde is geërfd van de wiskunde, waar topologie wordt gebruikt om de geometrische eigenschappen van een object te bestuderen met betrekking tot hoeveelheden die behouden blijven onder constante vervorming. Twee objecten zijn topologisch identiek wanneer het oppervlak van het ene continu kan worden vervormd naar het oppervlak van het andere en vice versa, bijvoorbeeld een kop koffie en een ring die vanuit topologisch oogpunt equivalent zijn. In de natuurkunde wordt het concept van topologie gebruikt om energiebandeigenschappen te beschrijven, wat leidt tot de voorspelling van nieuwe topologische toestanden van materie en verschillende topologische materialen. De verschillende topologische fasen (triviaal en niet-triviaal) worden gekenmerkt door het op passende wijze introduceren van kwantitatieve topologische constanten, die het mogelijk maken een verband te leggen tussen de eigenschappen van massa en het uiterlijk van het kenmerk aan de grens van deze materialen, bekend als de ‘bulk’. grenscorrespondentie’. In dit opzicht is het meest onderscheidende kenmerk van niet-triviale topologie de aanwezigheid van sterke topologische grenstoestanden die worden beschermd door specifieke ruimtelijke en/of intrinsieke symmetrieën.

Over het algemeen wordt aangenomen dat in symmetrie-beschermde topologische fase (SPT-fase) systemen een nauwe relatie tussen topologische grenstoestanden, topologische invarianten en een of meer globale symmetrieën onmisbaar is voor het handhaven van topologische bescherming tegen verstoringen. Dientengevolge worden zowel topologische invarianten als topologische grenstoestanden onomkeerbaar beïnvloed door elke vervorming die de fundamentele symmetrie verbreekt. In dit werk daagde het internationale onderzoeksteam dit gemeenschappelijke traditionele geloof uit en breidde zo het begrip van SPT-grensstaten uit. Ze ontdekten dat zelfs als een systeem niet langer gekwantiseerde topologische invarianten en een soort globale symmetrie heeft, er nog steeds topologische grenstoestanden kunnen bestaan ​​in overeenkomstige deelruimten, beschermd door zogenaamde “subsymmetrieën”.

“Onze ontdekking daagt het gangbare denken van de door symmetrie beschermde topologische fase uit en vernieuwt de congruentie van topologische invariante en grenstoestanden”, zegt hoofdauteur Domenico Bongiovanni, postdoctoraal onderzoeker bij INRS-EMT. “Ons idee heeft het potentieel om de topologische oorsprong van veel onconventionele toestanden te verklaren en kan toepassingen vinden in verschillende fysieke systemen en platforms.”

Door het concept van subsymmetrie te introduceren en te onderzoeken, ontdekten de onderzoekers dat globale symmetrie in de traditionele zin niet strikt noodzakelijk is om topologische grenstoestanden te beschermen. In dit opzicht blijven topologische grenstoestanden behouden zolang aan de symmetrieën van de gegeven deelruimten wordt voldaan, zelfs als de algehele topologische invarianten niet aanwezig zijn. Het onderzoeksteam heeft op slimme wijze fotonische roosterstructuren ontworpen en gefabriceerd met behulp van cw laserschrijftechnologie om te voldoen aan de voorwaarden van verschillende subruimtesymmetrieën. Experimenten hebben proof-of-concept aangetoond met twee van de meest populaire topologische netwerken: eendimensionale SSH- en tweedimensionale Kagome-netwerken. Bovendien introduceerde het team op innovatieve wijze het concept van langeafstandskoppelingssymmetrie in het Kagome-roostermodel, dat de huidige controverses over het bestaan ​​en de topologische bescherming van topologische toestanden van hogere orde in het Kagome-rooster oplost.

Deze studie daagt niet alleen het traditionele begrip van door symmetrie beschermde topologische toestanden uit, maar introduceert ook nieuwe ideeën voor het onderzoek en de toepassing van topologische toestanden in verschillende fysieke achtergronden. De impact van dit werk zal naar verwachting de ontwikkeling van topologische fotonica en de zich ontwikkelende interdisciplinaire velden ervan verder bevorderen, evenals het onderzoek naar en de ontwikkeling van een nieuwe generatie topologische fotonische apparaten op basis van door subsymmetrie beschermde grenstoestanden.

over deze studie

Artikel “Topologische toestanden beschermd door subsymmetrie” Door Ziteng Wang, Xiangdong Wang, Zhichan Hu, Domenico Bongiovanni, Dario Jukić, Liqin Tang, Daohong Song, Roberto Morandotti, Zhigang Chen en Hrvoje Buljan Gepubliceerd in het tijdschrift natuur fysica. De studie kreeg financiële steun van het National Research and Development Program en de National Natural Science Foundation of China, het QuantiXLie Centre of Excellence medegefinancierd door de Kroatische regering en de Europese Unie, de Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) en het Canadian Research Chairs Program (CRC).