研究人員利用拓撲物理學的扭曲特性，產生了一種高質量的雷射束——這一步可能會導致這個新興領域的首次實際應用。一個物理學家團隊在2月1日發表於《科學》雜誌的兩項研究中，描述了他們的裝置以及該技術背後的理論。
麻省理工學院（位於劍橋）的物理學家馬林·索爾亞契奇說，這項演示“使拓撲光子學更接近實際應用”。
拓撲學是數學的一個分支，研究形狀及其在空間中的可能排列——從簡單的打結環到弦理論的更高維度宇宙。自20世紀80年代以來，物理學家發現了一些物質狀態，這些物質狀態從拓撲現象中獲得奇特的特性，例如磁化強度（被描繪成箭頭場）如何圍繞材料纏繞。（該領域的一些創始人獲得了2016年諾貝爾物理學獎。）
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特別是，理論家已經預測——實驗者已經證實——某些絕緣固體可以反直覺地導電，這要歸功於拓撲特性。電流產生於材料表面的電子流動，它們有一個獨特的優勢：波浪圖案（如打結的環）很難被破壞。這種被稱為拓撲保護的特性使電子可以暢通無阻地流動。它可以防止電子流動改變方向或從缺陷處反彈，從而降低效率。
物理學家還在電磁波中觀察到了拓撲保護。在固體中，當電子圍繞原子排列移動時，拓撲效應就會出現。同樣，可以使光子與具有規則間隙圖案的材料相互作用。“當你使其週期性時，在自然界的幾乎任何波系統中，都可能發生多種型別的拓撲現象，”索爾亞契奇說，他的團隊在大約十年前發現了拓撲光子學的一些最早的實驗證據。
一種引導光的新方法
在最新的研究中，以色列海法理工學院的莫德凱·塞格夫及其合作者利用拓撲光子學建立了雷射束，其中光波是同相的。
該團隊在半導體材料晶片的表面蝕刻了一系列圓形通道，並從上方將紅外光照射到該結構上。這些圓形（每個直徑幾微米）僅捕獲精確波長的光波，然後這些光波從一個環移動到下一個環。
在光子系統中，波的傳播方向通常是可逆的。去年，由加州大學聖地亞哥分校的布巴卡爾·坎特領導的一項製造拓撲雷射的努力，使用了磁場來限制傳播。
但在塞格夫的系統中，一些環是不對稱的，這使得光優先沿一個方向流動。當系統從紅外光源接收到越來越多的能量時，迴圈光脈衝被增強或放大。最終，光波從一個出口通道中反彈出來——像聚焦的雷射束一樣同步脈動。
在佛羅里達州奧蘭多的中佛羅里達大學的合作者進行的實驗表明，與不使用拓撲學的類似雷射器相比，這些雷射器在能量上更有效率，併產生更高質量的光束——這意味著它們更接近理想的正弦波。由於拓撲保護，“該系統繼承了對缺陷的魯棒性”，塞格夫說。
馬里蘭大學帕克分校的光子學研究員穆罕默德·赫費齊說，塞格夫和坎特團隊的裝置都是“非常重要且令人興奮的發展”。但他表示，還需要更多的測試來確認塞格夫的雷射器是否比現有裝置效能更好。
塞格夫說，大多數物理學家都對拓撲光子學能否與雷射產生相容持懷疑態度。儘管拓撲思想最初出現在固態物質理論中，並且被許多研究人員視為對電子學有希望，但實際應用很少。第一個上市的拓撲裝置可能在光子學領域並非巧合。索爾亞契奇說，這些系統通常比固態系統更容易處理。研究人員可以建立具有幾乎任何他們希望光線透過的特性的週期性圖案結構，而材料中的原子不能以任意方式排列。
本文經許可轉載，並於2018年2月1日首次發表。