宾夕法尼亚州立大学萨姆·舒尔茨 显示逆时针旋转的拓扑孤立子的动画
激光通过波导传播，在玻璃上雕刻出复杂的“光线线路”，与自身相互作用形成被称为孤子的自持波模式
孤子的螺旋旋转是波导特定形状的标志，也是器件拓扑结构的标志
学分:宾夕法尼亚州立大学雷奇斯曼实验室 激光穿过装饰华丽的微加工玻璃后，会与自身相互作用，形成被称为孤子的自持波形
在玻璃中制作的复杂设计是一种“光子拓扑绝缘体”，这种器件有可能用于提高激光和医学成像等光子技术的效率
拓扑材料获得了2016年的诺贝尔奖，它有能力“保护”通过它们的波流不受不必要的无序和缺陷的影响
到目前为止，我们对光的拓扑保护的理解大多局限于独立作用的光粒子，但在5月22日发表在《科学》杂志上的一篇新论文中，宾夕法尼亚州立大学的研究人员报告说，他们使用玻璃来调节光子之间的相互作用，直接观察这些复杂设备的基波模式
“人们可能对电子学更熟悉，但‘光子学’是一个平行的世界，我们关注的是光的性质，而不是电子的性质，”宾夕法尼亚州立大学唐布罗早期职业发展物理学教授、该论文的资深作者米凯尔·雷奇斯曼说
光子学有无数的应用，包括太阳能、用于电信的光纤、使用激光切割的制造以及激光雷达，例如，激光雷达用于帮助控制自动车辆
拓扑保护有望使光子器件更节能、更轻、更紧凑
" 拓扑保护的概念可以应用于电子、光子、原子和机械系统
例如，在电子学中，拓扑保护可以通过让电子可靠地流过材料而不散射来提高效率
对于电子来说，这种保护需要极冷的温度，接近绝对零度，并且经常需要强的外部磁场，但是对于光子来说，所有的实验都可以在室温下进行，因为没有磁场，光子就没有电荷
为了进行实验，研究人员用激光照射一块玻璃，玻璃上刻有一系列极其精确的隧道，每个隧道的直径约为人类头发的十分之一
这些被称为“波导”的隧道就像电线一样，将通过它们的光集中起来
玻璃中的波导排列成网格，形成一个阵列，但是每个波导通过玻璃的路径不是直的——它可能更好地描述为蛇形，由研究人员设计的扭曲和弯曲的几何形状导致光的拓扑保护
宾夕法尼亚州立大学的研究人员在玻璃中制作了激光写入波导阵列的显微镜图像(左)，其几何形状导致了光的拓扑保护
激光穿过装饰华丽的微制造玻璃——示意图(右)显示了该装置中四个波导的三维路径——已经显示出与自身相互作用形成称为孤子的自持波模式
学分:宾夕法尼亚州立大学雷奇斯曼实验室 该论文的第一作者、宾夕法尼亚州立大学博士后研究人员塞巴布拉塔·慕克吉说:“我们必须在实验室里建造制造设备，通过玻璃精确地雕刻出三维波导，这一过程被称为飞秒激光写入。”
“写入三维波导的能力对于使器件具有拓扑结构至关重要，这一特性通过观察沿器件边缘的‘受保护’单向光流得到了实验证实
" 通过一个被称为“克尔效应”的过程，玻璃的性质因强激光的存在而改变
玻璃中的这种变化介导了许多光子之间的相互作用，这些光子通常不相互作用，而是通过阵列传播
随着功率的增加，光坍缩成一束没有散开的光束(我
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衍射)，而是螺旋旋转
孤子的螺旋旋转是研究人员设计的波导特定形状的标志，也是该器件确实是拓扑结构的一个指标
“在正常情况下，光子是彼此不注意的，”雷奇斯曼说
“你可以穿过两个激光束，两个都不会被另一个改变
在我们的系统中，我们能够让光子相互作用并形成孤子，因为激光的强度改变了玻璃的性质
光子通过环境的变化变得相互“感知”
" 众所周知，孤子是许多系统中最基本的波形，在这些系统中，相互作用是由周围环境来调节的
“从理论上理解和实验上探测拓扑系统中的孤子，如我们的波导阵列，将是在光子器件的实际应用中应用拓扑保护的一个关键因素，尤其是那些需要高光功率的器件，”雷奇斯曼说
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