Рекомендуемое чтение:
Университет Вюрцбурга сотрудничал с физиками из Университета Ростока, чтобы разработать оптическое устройство – оптический воронок. Используя физический механизм “неэрмитовского кожного эффекта”, исследовательская группа под руководством профессора Александра Замайта из Университета Ростока может сосредотачивать световой сигнал в оптическом волокне длиной 10 километров в конкретной точке, реализуя “оптическую воронку”. Это можно использовать как новую платформу для гиперчувствительных оптических детекторов. Профессор Ронни Томале является профессором теоретической физики конденсированного состояния в Университете Юлия-Максимилиана в Вюрцбурге. Открытие и теоретическое описание новых квантовых состояний вещества является одной из его основных научных областей. “В практике теоретических физиков одним из самых захватывающих моментов является разработка теории для нового физического явления, а затем поиск новых экспериментов для стимулирования этого эффекта”, – сказал он.
Научный контекст исследования:
Топологическое вещество стало одной из самых активных областей в современной физике. Термин “топология”, который происходит из древнегреческого и означает “изучение” и “место”, является математической дисциплиной, которая теперь широко распространена в физике, включая оптику. Топологические материалы, вместе с другими синтетическими материалами, образуют более широкое направление исследований – топологические метаматериалы. Физики, не ограничиваясь физическими и химическими свойствами, предоставляемыми природой, разработали синтетические кристаллы, состоящие из искусственно настраиваемых степеней свободы. Оптическая воронка, разработанная Томале и Замайтом, выбирает топологическое волокно, проводящее свет по волокну и позволяющее детализированное пространственное разрешение. Когда мы имеем дело с периодическими системами, их часто приближают как “бесконечное расширение”, потому что небольшие изменения на границе не вызывают заметного отклонения системы. Однако недавно было предложено, что неэрмитовские свойства в некоторых системах обусловлены не приростом и потерей, а присутствием интерфейса в анизотропной решетке, приводящим к локализации всех собственных мод на этом интерфейсе. Этот феномен называется “неэрмитовским кожным эффектом”. Этот эффект вызвал оживленные дискуссии в неэрмитовских топологических системах о действительности соответствия граничного условия для границ тела. Граничное условие для границ тела – важное понятие в топологической физике, требующее сосуществования тел и границ, и количество тел может использоваться для предсказания свойств границ. Команда достигла состояния неэрмитовской фотонной решетки, управляя анизотропным сцеплением. Появление интерфейса приводит к коллапсу всего спектра собственных мод и экспоненциальной локализации всех мод на интерфейсе. Таким образом, любое световое поле в решетке, независимо от его формы и начального положения, движется к этому интерфейсу, топологическому феномену, известному как “неэрмитовский кожный эффект”. Основываясь на этом явлении, команда продемонстрировала эффективную оптическую воронку, которая может сосредотачивать световые сигналы от оптического волокна длиной 10 километров в конкретной точке и может быть применена в высокочувствительных оптических детекторах.
Инновационное исследование: сосредотачивание светового сигнала в оптическом волокне длиной 10 километров
Команда достигла эффекта, известного как “оптическая воронка”: на основе “неэрмитовского кожного эффекта” световые сигналы в оптическом волокне длиной 10 километров могут быть сосредоточены в конкретной точке провода. Специфический метод заключается в следующем: путем управления анизотропным сцеплением в оптическом волоконном контуре решетка связана с разными направлениями анизотропии, чтобы создать эффект воронки света. Этот эффект зависит от неэрмитовского кожного эффекта, вызванного анизотропным сцеплением, и его нетривиальных топологических характеристик. Эта работа позволяет людям понимать кожный эффект в рамках топологического состояния вещества. Команда сравнила две модели: 1 модель Гермита SSH (рис. 2А), состоящую из связанных решеточных цепей соседних соседей с чередующимися постоянными сцепления, с чередующимся изотропным сцеплением, как показано различными тенями оранжевых стрелок. (2) модель кожного эффекта (рис. 2В), с чередующимся анизотропным сцеплением, указанным черными стрелками разных размеров, эта анизотропия приводит к неэрмитовским свойствам.
