首個光學拓撲絕緣體研製成功 有效減少光傳輸散射

2020-12-05 中國網科學頻道

科技日報訊據物理學家組織網近日報導，以色列和德國科學家攜手合作，成功研製出首個光學拓撲絕緣體，這種新設備通過一種獨特的「波導」網格，為光的傳輸護航，可減少傳輸過程中的散射。科學家們表示，最新研究對光學工業的發展大有裨益。研究發表在最新一期的《自然》雜誌上。

隨著計算機的運行速度不斷加快以及晶片變得越來越緊密，人們對操縱光的設備變得越來越小的渴求與日俱增。但當這些設備變小時，製造過程中就會產生瑕疵，使光的移動變得毫無規律且無法預料。人們迫切需要新技術來阻止在光傳輸中各類瑕疵造成的散射。

以色列理工大學的莫迪凱·塞格弗教授領導的團隊和德國耶拿大學的阿歷克斯·薩扎米特教授的團隊攜手，解決了這個問題。在實驗中，他們使用了一列螺旋狀、採用「蜂窩」網格結構排列的「波導」（像電線引導電一樣引導光），在實驗室展示了一種全新的「光學拓撲絕緣體」。

在「蜂窩」網格結構中，每個波導的厚度僅為頭髮絲的十分之一，光在其中受到了拓撲保護——即使存在瑕疵，光也會不間斷地流動。塞格弗表示：「拓撲保護意味著，光不會注意瑕疵的存在，會在瑕疵周圍流動。」

拓撲保護這一理念最初並非為了光而生，而是為了在固體物質中流動的電子。然而，以色列理工大學的米克爾·瑞切特斯曼和約納坦·帛琉特尼克通過使用一列相互作用的波導，並讓波導變成螺旋狀而非直線形，從而將拓撲保護引入光子學。瑞切特斯曼說：「波導的螺旋天性打破了對稱，因此，在前進的方向上，波導會順時針旋轉，而在後退方向上，波導會逆時針旋轉。在我們的實驗中，為了防止光傳輸出現不需要的散射，這一點是必須的。」

瑞切特斯曼接著說：「光子拓撲絕緣體有望為我們探究和理解拓撲保護提供一個全新的平臺。例如，很難或無法在固體物質內進行的所有實驗現在使用光能夠進行了。」帛琉特尼克補充道：「最新理念有望成為光子通訊工業和光的超導體領域的重要部分。這一發現也意味著科學家們朝著光子計算和量子計算又前進了一步。」

光學工業是現代計算和通訊的心臟，光學使大量數據可以通過光纖快速傳輸。建立在光的流動和對光進行控制基礎上的技術是計算機晶片製造和太陽能電池的核心技術。

（劉霞）

《科技日報》 2013-03-23 （二版）

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  • 材料人科普 諾獎中的拓撲絕緣體到底是什麼鬼?
    這個電子態的維度比內部要低1個維度（比如對一個3維絕緣體，表面電子態就是2維），而且有很多新奇的性質。也正是這些性質，使得它有可能被廣泛的應用。在這裡，導體和絕緣體都有這樣的能量E和動量k的關係，E=k2/2m， m為有效質量，對於價帶，可以認為 m<0。這個性質是普通絕緣體表面所沒有的。普通絕緣體表面，儘管能帶可以彎曲，但還是屬於絕緣體，能隙不會消失。能隙的消失，就屬於一種量子相變。2.
  • 取出拓撲絕緣體表面態
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