作者埃文·勒纳，宾夕法尼亚大学 在左边，是阿格沃尔集团的设备图像，在周期性图案化的光子晶体上有一层二硫化钨(WS2)
WS2的激子与光子晶体之间的强耦合导致了具有螺旋拓扑性质的激子-光子极化子的形成
在右边，亮点是激发螺旋拓扑激子-极化子的圆偏振光，它们具有特定的自旋并向前传播，在没有反向散射的尖角周围弯曲
学分:宾夕法尼亚大学 对量子物理的理解涉及到大量准粒子的产生
这些概念结构描述了出现的现象，这些现象似乎具有混合在一起的多个其他粒子的特性
举例来说，激子是一种准粒子，它的作用就像一个束缚在电子空穴上的电子，或者是半导体材料中一个电子可以存在的空间
更进一步，激子极化子结合了激子和光子的特性，使其表现得像物质和光的结合
实现并积极控制这些属性的正确组合——例如它们的质量、速度、运动方向和相互之间强有力的相互作用的能力——是将量子现象应用于技术(如计算机)的关键
现在，宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院的研究人员第一个创造了一种更加奇特的激元极化子形式，这种极化子有一个确定的量子自旋，它被锁定在运动方向上
根据它们自旋的方向，这些螺旋拓扑激子极化子沿着一种同样特殊的拓扑绝缘体的表面以相反的方向运动
在发表在《科学》杂志上的一项研究中，他们证明了这种现象，其温度比维持这种量子现象所需的接近绝对零度的温度要高得多
基于准粒子的自旋，在更方便用户的条件下，以及在它们不会反向散射的环境下，对这些准粒子进行路由的能力，为利用它们以前所未有的速度传输信息或执行计算开辟了可能性
这项研究由材料科学与工程系教授里提什·阿加瓦尔和他实验室的博士后研究员刘文静领导
他们与湖南大学和乔治·华盛顿大学的研究人员合作
这项研究还展示了一种新型的拓扑绝缘体，这种材料是由查尔斯·凯恩和尤金·梅勒在宾夕法尼亚大学开发的，具有导电表面和绝缘芯
拓扑绝缘体因其在表面传播电子而不散射电子的能力而受到重视，同样的想法也可以扩展到光子或极化子等准粒子
“用光子代替电子将有助于更快的计算机和其他技术，但是光子很难调制、路由或转换
它们不能在急转弯处运输并从波导管泄漏出去，”阿格沃尔说
“这就是拓扑激子-极化子可能有用的地方，但这意味着我们需要制造新型的拓扑绝缘体，可以与极化子一起工作
如果我们能制造出这种量子材料，我们就可以在没有任何散射的情况下沿着特定的通道传送激子极化子，并通过外部施加的电场或轻微的温度变化来调制或转换它们
" Agarwal的团队在过去已经创造了几种类型的光子拓扑绝缘体
虽然欧洲的一个小组报道了第一个“手性”极化子拓扑绝缘体，但它在极低的温度下工作，同时需要强磁场。在这种情况下，缺失的部分以及“手性”和“螺旋”之间的区别是通过准粒子的自旋控制流动方向的能力
“为了创造这个相位，我们使用了原子级薄半导体——二硫化钨，它能形成非常紧密结合的激子，并通过对称工程将它强耦合到一个适当设计的光子晶体上
这导致了最终的极化子的非平凡拓扑结构，”阿格沃尔说
“在不同拓扑结构的光子晶体之间的界面上，我们展示了不会在尖角或缺陷处散射的螺旋拓扑极化子的产生，以及自旋相关的输运
" Agarwal和他的同事在200K，或大约-100F的温度下进行研究，不需要施加任何磁场
虽然这看起来很冷，但它比在4K运行的类似系统要暖和得多，也更容易实现，温度大约为-450华氏度
他们相信，进一步研究和改进半导体材料的制造技术将使他们的设计能够在室温下工作
“从学术角度来看，200K已经接近室温，所以材料纯度的微小进步很容易推动它在环境条件下工作，”阿格瓦尔说
“原子般薄的‘二维’材料形成非常强的激子，在室温和更高的温度下仍能存活，所以我们认为我们只需要对材料的组装方式进行微小的修改
" Agarwal的团队现在正在研究拓扑极化子如何相互作用，这将使他们更接近于在实际的光子器件中使用它们
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