a-b, Patrones de partículas ay las celosías fotónicas correspondientes b con diferentes correlaciones estructurales. La red cristalina posee un orden tanto de rango largo como de rango corto; las celosías similares al vidrio tienen un fuerte orden de corto alcance; la red similar a un líquido produce un orden débil de corto alcance. C, Función de correlación de pares g (r) para las diferentes celosías que cuantifica la correlación estructural. D, Longitudes de localización (curvas negras) y transmisiones (curvas rojas) para las celosías fotónicas. Las regiones naranjas indican las ventanas de frecuencia en las que se pueden observar los estados de los bordes topológicos. Crédito:Peiheng Zhou, Xin Ren, Yihao Yang, Haoran Xue, Lei Bi, Longjiang Deng, Yidong Chong, y Baile Zhang
La comprensión actual de los aislantes topológicos y sus análogos de onda clásicos, como aislantes topológicos fotónicos, se basa principalmente en la teoría de bandas topológicas. Al contrario de esto, Científicos de China y Singapur mostraron experimentalmente aislantes topológicos fotónicos basados en fases amorfas similares al vidrio, para lo cual la estructura de bandas está mal definida. También se encuentra que la persistencia de la protección topológica está estrechamente relacionada con la transición de vidrio a líquido. Esta interacción entre topología y amorfo allana el camino para nuevas clases de materiales de banda prohibida fotónicos topológicos no cristalinos.
El concepto de topología que cambia el paradigma no solo ha revolucionado la física de la materia condensada, pero también ha abierto un capítulo fundamentalmente nuevo en fotónica, mecánica, acústica, y muchos otros campos. En fotónica, "aislantes topológicos fotónicos" (PTI), los análogos fotónicos de los aislantes topológicos electrónicos, han permitido emocionantes funcionalidades fotónicas sin precedentes, como el transporte fotónico robusto unidireccional y los láseres topológicos.
Estos sistemas topológicos, ya sea basado en materia condensada o fotónica, típicamente derivan sus propiedades topológicas de estructuras de bandas basadas en retículas periódicas. Por otra parte, Las fases fotónicas amorfas sin redes atómicas periódicas existen ampliamente en la naturaleza (por ejemplo, vidrio, polímeros y geles). Las propiedades de estos sistemas amorfos están determinadas por la conectividad de corto alcance de sus átomos / moléculas, en lugar de la periodicidad a largo plazo.
En un nuevo artículo publicado en Ciencias de la luz y aplicaciones , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Peiheng Zhou y el profesor Longjiang Deng de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China, El profesor Yidong Chong y el profesor Baile Zhang de la Universidad Tecnológica de Nanyang han realizado experimentalmente PTI amorfos que son variantes no cristalinas de un PTI basado en números de Chern. Su estudio demuestra la interesante interacción entre la topología y el orden de corto alcance, especialmente durante la transición vítrea. Los PTI basados en números de Chern son el primer tipo de PTI jamás realizado. Su trabajo es el primero en estudiar PTI amorfos utilizando este tipo de estructura fotónica. También encuentran que la extinción de los estados de borde topológicos fotónicos se refiere a la transición vítrea. Estos conocimientos pueden ser útiles para realizar aislantes topológicos amorfos en otros entornos físicos como la acústica.
a, Esquemático del montaje experimental. La placa superior contiene agujeros cilíndricos en celosía cuadrada. La sonda y las antenas dipolo de la fuente (1 y 2) se insertan en la guía de ondas a través de estos orificios. Tres lados de la guía de ondas están envueltos con paredes metálicas que actúan como límites perfectos de conductores eléctricos (PEC). El otro lado está cubierto por absorbentes de microondas. ser, Medido | Ez | distribución de campo en redes fotónicas. Los estados de los bordes topológicos persisten desde el PTI cristalino hasta el PTI amorfo (similar al vidrio 2). Crédito:Peiheng Zhou, Xin Ren, Yihao Yang, Haoran Xue, Lei Bi, Longjiang Deng, Yidong Chong, y Baile Zhang
El PTI amorfo consta de varillas giromagnéticas que están dispuestas en patrones de celosía amorfa generados por computadora y polarizados magnéticamente para romper la simetría de inversión del tiempo. Al realizar mediciones de transmisión de borde / volumen y distribución de campo cercano a los PTI en una guía de ondas de placas paralelas de cobre, la existencia de estados de borde topológicos robustos en los PTI amorfos se verifica experimentalmente antes del inicio de la transición vítrea. Al deformar aún más la red amorfa en una red similar a un líquido, Se observa el cierre de la brecha de movilidad y la desaparición de los estados de borde topológicos. Estos científicos resumen las características de su sistema topológico:
"Diseñamos un sistema PTI amorfo con tres ventajas:(1) las celosías amorfas se pueden realizar en materiales naturales, ya que se generan mediante métodos de dinámica molecular; (2) el mapeo completo de fases cristalinas a amorfas vítreas a líquidas produce toda la evaluación de la topología, de la emergencia a la extinción, y capta claramente el papel de la transición vidrio-líquido; y (3) la plataforma fotónica se puede inmigrar para verificar otros materiales topológicos fotónicos no periódicos ".
"La protección topológica respaldada por el orden de corto alcance en nuestros PTI amorfos demuestra una notable robustez ante grandes defectos, p.ej. 3 veces la longitud característica de las celosías, y curvas de 90º, todos comparables a sus homólogos cristalinos, ", agregaron.
"El enfoque presentado se puede utilizar para desarrollar PTI amorfos específicos con correlaciones estructurales deseadas, mi. gramo. las estructuras hiperuniformes estudiadas en cristales fotónicos bandgap, o monitorear otros PTI no periódicos, p.ej. los cuasi-cristales o metamateriales. Por lo tanto, nuestros hallazgos serán muy útiles para trabajos futuros que investiguen materiales fotónicos topológicos no cristalinos para dispositivos fotónicos novedosos. como láseres topológicos aleatorios, "proponen los científicos.
