能自我形成光阱的玻璃微结构

*玻璃中实现的复杂设计是一种“光子拓扑绝缘体”，这是一种可能用于使激光和医学成像等光子技术更有效的设备。 

2016年获得诺贝尔奖的拓扑材料能够“保护”穿过它们的波流，防止不必要的无序和缺陷。到目前为止，我们对光的拓扑保护的理解大多局限于光的独立作用的粒子，但是近日发表在《科学Science》杂志上的一篇新论文中，宾州州立大学的研究人员报告说，他们利用玻璃来介导光子之间的相互作用，直接观察到这些复杂的装置。 

 “人们可能更熟悉电子学，但在‘光子学’领域有一个完全平行的世界，我们关注的是光的性质，而不是电子，”宾夕法尼亚州立大学（Penn State）物理学教授、论文高级作者米凯尔·雷赫茨曼（Mikael Rechtsman）说，“光子学有许多应用，包括太阳能、通信用光纤、激光切割制造和激光雷达，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。”

 

如图，当激光穿过波导，通过玻璃雕刻的复杂的“光线”结构，与自身相互作用，形成自我维持的波型，称为孤子。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。

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，拓扑保护可以通过使电子可靠地流过材料而不发生散射来提高效率。对于电子来说，这种保护需要极冷的温度，接近绝对零度，并且经常需要一个很强的外部磁场，但是对于光子，所有的实验都可以在室温下进行，并且因为光子没有电荷，没有磁场。 

为了进行实验，研究人员用激光照射一块玻璃，玻璃上刻着一系列极其精确的通道，每个通道的直径约为人类头发的十分之一。这些隧道被称为“波导”，其作用就像电线，集中了通过它们的光流。玻璃片中的波导排列成一个网格，形成一个阵列，但每个波导穿过玻璃的路径并不笔直——也许更好地描述为蛇形，由研究人员设计的曲折具有导致光的拓扑保护的几何结构。 

宾夕法尼亚州立大学博士后研究员、论文第一作者Sebabrata Mukherjee说：“我们必须在实验室里建造制造设施，以便精确地在玻璃上雕刻出三维波导，这一过程被称为飞秒激光写入。写入三维波导的能力对器件的拓扑结构至关重要，通过观察沿器件边缘的“受保护”单向光流，实验证实了这一特性。” 

通过一个称为“克尔效应”的过程，玻璃的特性会因强烈激光的存在而改变。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，通过阵列传播。随着功率的增加，光坍缩成一束，而没有展开（即衍射），并以螺旋状旋转的光束。孤子的螺旋旋转是研究人员设计的波导特定形状的一个标志，同时也表明该器件确实是拓扑结构。 

Rechtsman说：在正常情况下，光子之间是互不察觉的。你可以穿过两个激光束，而两个光束都不会被另一个改变。在我们的系统中，由于激光的强度改变了玻璃的性质，我们能够使光子相互作用并形成孤子。光子通过环境的变化相互“感知”。 

孤子被认为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介导的。 

Rechtsman说：“理论上理解和实验上探测像波导阵列这样的拓扑系统中的孤子，将是在光子器件中应用拓扑保护的关键因素，特别是那些需要高光功率的器件。”。 

原文链接：https://phys.org/news/2020-06-geometry-intricately-fabricated-glass.html