一種限制光線的新方法以保護光線對材料缺陷不敏感

　　通常情況下，光通過存在缺陷的材料時會受其缺陷的影響。近期，研究人員找到了一種可以保護光線的方法，使得光線能對這種材料的缺陷不敏感。這種新方法是基于一個廣泛應用于固態電子物理學的概念——“拓撲保護”。這種方法可以幫助降低光子器件的成本，同時也會提高它們的工作速度。

　　一個聯合了賓夕法尼亞州立大學、匹茲堡大學和伊利諾伊大學研究人員的合作團隊在實驗中利用了一個波導晶格結構，成功地保護了中間禁帶的模態頻率，并把光子缺陷模式的體積最小化。在實驗中，光從波導陣列的一端進入，當它在波導中傳播時會被捕獲和限制，被捕獲的光線能不受波導中的缺陷影響，并且能夠承受晶格結構中的明顯缺陷。

圖1 該圖為拓撲晶體絕緣體晶格幾何中的波導陣列的截面顯微鏡圖像。新的研究表明，這種配置結構允許研究人員以一種新的方式限制光線，最終能使光線對材料的缺陷變得不敏感，這一進展可能會促使光子器件的成本降低，同時提高它們的工作效率，如激光器和光纖。在此致謝提供圖片的賓夕法尼亞州立大學Rechtsman實室

　　研究人員表示，光線之所以會變得對缺陷不敏感，是源于一種以“拓撲保護”著稱的現象。Mikael Rechtsman教授稱：“波導結構其實是所謂拓撲晶體絕緣體的光子模擬物，可以預見，這種拓撲保護的形式會在一系列光子器件中存在巨大的潛在使用價值，如納米激光器和專用非線性光纖，它還可以讓處理量子信息的光子和電子之間穩健且精確地耦合。”

　　研究人員通過觀察被限制在陣列角落的拓撲零模是否存在，在飛秒激光寫入的波導陣列中展示了這種方法。能保護嵌入二維環境中的零維狀態的拓撲不變量確保了該模式的穩健性，據研究人員介紹，這個實驗證明了一種以前沒有被展示過的拓撲保護形式。

　　這種限制光線的方法可以降低光子器件的生產成本，同時提高它們的工作效率。該實驗展示了拓撲保護在光子學聯合固態電子學的應用，提供了拓撲保護在跨學科領域的潛在應用實例，并展示了這一現象在電子固體物理之外的其他領域的廣泛適用性。

　　Rechtsman教授強調，捕捉光線并將其限制在非常小的空間中是意義非凡的，同時它也具有很大的挑戰性。他說：“這種方法能將最大的光功率壓縮到材料內部最小的區域或體積中，使其與材料發生更強的相互作用，因此無論我們要利用光線做什么，工作效率都是能提高的。但這種方法目前面臨的主要困難是，過強的限制會使得光線對材料中的任何缺陷都極度敏感，這往往會抑制器件的效率或最終使得器件的制造成本非常昂貴。但根據目前我們的研究結果，我們可以克服這一困難。”

　　這項研究發表在了《NaturePhotonics》上。