罗斯托克大学 非线性引起的拓扑绝缘体:由复杂交织波导组成的合成光子材料允许光保护自己免受外部扰动
荣誉:罗斯托克大学卢卡斯·麦克泽夫斯基 罗斯托克大学的研究人员开发了一种新型的非线性光子电路，在这种电路中，强光束可以定义自己的光路，这样就可以使自己不受外部扰动的影响
这一发现最近发表在著名的《科学》杂志上
“光子是一种难以控制的束，”亚历山大·萨梅特教授解释说，他的团队进行了开创性的实验
“一旦一个人设法将它们聚集到空间和时间的某个特定点，它们就会立即再次向四面八方散开
“事实上，几个世纪以来，人们一直致力于通过多种方式来塑造光的流动:透镜和曲面镜可以紧紧地聚焦来自太阳的光线
强激光产生相干光束和短脉冲强光
光缆在万维网上传送着数量惊人的光学编码数据
然而，光波是令人惊讶的微妙实体:透镜上的一个小裂缝、激光束中飘过的一粒灰尘，或者光纤中的一个扭结，都可能打乱复杂的机制，这些机制将光转化为人类有史以来最通用的工具
2007年，维尔茨堡大学的劳伦斯·莫伦坎普和他的团队首次通过实验实现了电子拓扑绝缘体，这种绝缘体的内部不导电，但同时其表面具有完美的导电性
他们的光子对应物让教授着迷
萨梅特很久了
“自从我们第一次实现光的拓扑绝缘体以来，我们一直努力探索如何利用这些特殊的系统，”这位物理学家回忆道
虽然光子拓扑绝缘体可以沿着精确定义的路径引导光线，并且支撑其设计的数学框架赋予其对缺陷或外部干扰前所未有的鲁棒性，但这些受欢迎的特性也带来了巨大的障碍
“一旦注入拓扑通道，光脉冲就不会遭受散射损失，但这种绝缘也使得它们几乎不可能在不脱离保护环境的情况下得到控制，”合著者Dr
马提亚斯·海因里希总结了科学界目前面临的挑战
当然，从理论上来说，解决方案似乎显而易见
“原则上，这很容易
你所需要的只是一个开关，你可以随意翻转它，在两个光脉冲之间瞬间改变系统的拓扑性质，”萨梅特讽刺道
然而，拓扑结构与波导电路的物理排列密不可分，而超短激光脉冲是以飞秒(十亿分之一秒的百万分之一)为单位测量的——即使是最快的电子调制器也达不到许多数量级
在罗斯托克大学、巴塞罗纳ICFO大学、里斯本大学和莫斯科科技学院的理论家们的密切合作下，这支年轻的研究团队找到了一种方法，让光线自己决定是进行拓扑保护还是表现得像在传统媒介中一样
“根据它们的峰值强度，光脉冲可以表现出根本不同的方式，”卢卡斯·麦克泽夫斯基解释说
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学生和作品的主要作者
“非线性是个神奇的词:在光子学中，有时候二加二真的不仅仅是四
“经过两年的紧张研究和在罗斯托克大学物理研究所的实验室里无数个小时，这些努力取得了成果
非线性诱发的拓扑绝缘体——一种新的合成材料——允许超过一定阈值强度的光脉冲在其紧邻区域建立瞬态拓扑域
自称是《星际迷航》粉丝的萨梅特描绘了一幅复杂物理学的生动画面
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进取号举起它的护盾，自我生成的保护茧跟随光脉冲并沿着它们选择的路径保护它们
" 这一成功的国际合作极大地推进了量子光学领域的基础科学，特别是对光子拓扑绝缘体的研究
在这些部件被组装成一台可工作的光学量子计算机之前——这是世界各地团体追求的圣杯——还有几个挑战有待解决
然而，物理学家的最新发现为许多创新应用带来了巨大的希望，例如拓扑保护的全光信号处理和自我改进的光子神经元网络
鉴于进步的速度很快，这些今天看起来像科幻小说的想法可能很快就会成为现实
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