a-b, Pattern di particelle a e relativi reticoli fotonici b con differenti correlazioni strutturali. Il reticolo cristallino possiede un ordine sia a lungo che a corto raggio; i reticoli simili a vetro hanno un forte ordine a corto raggio; il reticolo liquido produce un debole ordine a corto raggio. C, Funzione di correlazione di coppia g(r) per i diversi reticoli che quantifica la correlazione strutturale. D, Lunghezze di localizzazione (curve nere) e trasmissioni (curve rosse) per i reticoli fotonici. Le regioni arancioni indicano le finestre di frequenza in cui è possibile osservare gli stati dei bordi topologici. Credito:Peiheng Zhou, Xin Ren, Yihao Yang, Haoran Xue, Lei Bi, Longjiang Deng, Yidong Chong, e Baile Zhang
L'attuale comprensione degli isolanti topologici e dei loro analoghi d'onda classici, come isolanti topologici fotonici, si basa principalmente sulla teoria delle bande topologiche. Contrariamente a ciò, Scienziati in Cina e Singapore hanno mostrato sperimentalmente isolanti topologici fotonici basati su fasi amorfe simili al vetro, per cui la struttura della banda è mal definita. Anche la persistenza della protezione topologica risulta essere strettamente correlata alla transizione vetro-liquido. Questa interazione tra topologia e amorfo apre la strada a nuove classi di materiali a banda proibita fotonici topologici non cristallini.
Il concetto rivoluzionario di topologia non ha solo rivoluzionato la fisica della materia condensata, ma ha anche aperto un capitolo fondamentalmente nuovo nella fotonica, meccanica, acustica, e molti altri campi. Nella fotonica, "isolatori topologici fotonici" (PTI), gli analoghi fotonici degli isolanti topologici elettronici, hanno consentito funzionalità fotoniche entusiasmanti senza precedenti come il trasporto fotonico robusto unidirezionale e i laser topologici.
Questi sistemi topologici, sia basato su materia condensata o fotonica, tipicamente derivano le loro proprietà topologiche da strutture a bande basate su reticoli periodici. D'altra parte, fasi amorfe fotoniche senza reticoli atomici periodici esistono ampiamente in natura (ad es. bicchiere, polimeri e gel). Le proprietà di questi sistemi amorfi sono determinate dalla connettività a corto raggio dei loro atomi/molecole, piuttosto che la periodicità a lungo raggio.
In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazioni della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Peiheng Zhou e dal professor Longjiang Deng dell'Università di scienza e tecnologia elettronica della Cina, Il professor Yidong Chong e il professor Baile Zhang della Nanyang Technological University hanno realizzato sperimentalmente PTI amorfe che sono varianti non cristalline di una PTI basata sul numero di Chern. Il loro studio dimostra l'interessante interazione tra topologia e ordine a corto raggio, soprattutto durante la transizione vetrosa. Le PTI basate sul numero di Chern sono il primo tipo di PTI mai realizzato. Il loro lavoro è il primo a studiare le PTI amorfe utilizzando questo tipo di struttura fotonica. Scoprono inoltre che l'estinzione degli stati limite topologici fotonici si riferisce alla transizione vetrosa. Queste intuizioni possono essere utili per realizzare isolanti topologici amorfi in altri contesti fisici come l'acustica.
un, Schema del setup sperimentale. La piastra superiore contiene fori cilindrici in reticolo quadrato. La sonda e le antenne a dipolo sorgente (1 e 2) sono inserite nella guida d'onda attraverso questi fori. Tre lati della guida d'onda sono avvolti da pareti metalliche che agiscono come confini del conduttore elettrico perfetto (PEC). L'altro lato è coperto da assorbitori di microonde. essere, Misurato |Ez| distribuzione di campo in reticoli fotonici. Gli stati di bordo topologici persistono da PTI cristallino a PTI amorfo (simile al vetro 2). Credito:Peiheng Zhou, Xin Ren, Yihao Yang, Haoran Xue, Lei Bi, Longjiang Deng, Yidong Chong, e Baile Zhang
Il PTI amorfo è costituito da barre giromagnetiche che sono disposte in modelli reticolari amorfi generati dal computer e polarizzate magneticamente per rompere la simmetria di inversione del tempo. Eseguendo misurazioni di trasmissione edge/bulk e distribuzione di campo vicino ai PTI in una guida d'onda a piastre parallele in rame, l'esistenza di stati limite topologici robusti nei PTI amorfi viene verificata sperimentalmente prima dell'inizio della transizione vetrosa. Deformando ulteriormente il reticolo amorfo in un reticolo liquido, si osserva la chiusura del gap di mobilità e la scomparsa degli stati limite topologici. Questi scienziati riassumono le caratteristiche del loro sistema topologico:
"Abbiamo progettato un sistema PTI amorfo con tre vantaggi:(1) i reticoli amorfi sono realizzabili in materiali naturali in quanto generati dai metodi di dinamica molecolare; (2) la mappatura completa da fasi cristalline a fasi amorfe vetrose a fasi liquide l'intera valutazione della topologia, dall'emergenza all'estinzione, e coglie chiaramente il ruolo della transizione vetro-liquido; e (3) la piattaforma fotonica può essere immigrata per verificare altri materiali topologici fotonici non periodici."
"La protezione topologica supportata dall'ordine a corto raggio nei nostri PTI amorfi dimostra una notevole robustezza a grandi difetti, per esempio. 3 volte la lunghezza caratteristica dei reticoli, e curve a 90º, tutti paragonabili a controparti cristalline, " hanno aggiunto.
"L'approccio presentato può essere utilizzato per sviluppare PTI amorfi specifici con le correlazioni strutturali desiderate, e. G. le strutture iperuniformi studiate nei cristalli fotonici bandgap, o monitorare altri PTI non periodici, per esempio. i quasi-cristalli o metamateriali. I nostri risultati saranno quindi molto utili per lavori futuri che investigano materiali fotonici topologici non cristallini per nuovi dispositivi fotonici, come laser casuali topologici, "propongono gli scienziati.
