Nu kan forskare upptäcka de egenskaper som gör optiska komponenter stabila trots energiförluster

I en kommande utgåva av Physical Review Letters presenterar forskare vid KTH ett programmerbart chip som kan upptäcka och mäta ”topologiska egenskaper”, det vill säga egenskaper hos vågrörelser som förblir oförändrade även när ett system förändras. (En öppen version av forskningsartikeln finns tillgänglig på arxiv.org.)

Enligt Ali Elshaari, forskare inom Ljus och materiens fysik på KTH, kan kunskap om dessa egenskaper hjälpa komponenter att fortsätta fungera trots brister och störningar.

Topologiska egenskaper kan göra material ovanligt stabila.

– När jag förklarar topologi för studenter brukar jag börja med en knut på ett rep. Man kan dra i den, vrida den eller skaka den, men knuten finns kvar tills man klipper av repet, säger Ali Elshaari och fortsätter:

– Fysiker har upptäckt att vissa material och komponenter bär på liknande knutar i hur vågor rör sig genom dem.

Andrea Cataldo, doktorand på KTH och huvudförfattare till studien, säger att denna typ av stabilitet är attraktiv för teknologier som måste fungera trots brus och defekter, såsom framtidens elektronik och kvantkomponenter.

– I den verkliga världen förlorar alla system energi. Därför behöver vi metoder för att studera dessa egenskaper under realistiska förhållanden.

Det ljusbaserade chippet kan efterlikna system med energiförluster och direkt avslöja deras dolda stabila egenskaper, säger han.

Chippet kunde på ett tillförlitligt sätt skilja mellan de ”knutna” (topologiska) fallen och vanliga fall, enligt Cataldo. Det identifierade också en särskild punkt där system med energiförluster uppvisar ovanliga egenskaper, en så kallad exceptionell punkt.

– Vi använder ett matematiskt trick för att köra det förlusttyngda systemet på chippet utan att faktiskt förlora signalen.

Forskarna jämför sedan ljuset med referensstrålar, ett tillvägagångssätt som de liknar vid att stämma ett instrument mot en referenston.

– Det gör att vi kan läsa av den dolda informationen även när energiförluster normalt skulle ha dolt den, säger Andrea Cataldo,

Eftersom chippet kan programmeras om kan många olika scenarier testas på en och samma komponent.

Vetenskaplig publicering:

”Interferometric readout of momentum-space topology in a programmable dissipative photonic circuit”, Physical Review Letters, DOI: 10.1103/xkht-64kc

För ytterligare information kontakta:

Ali Elshaari, universitetslektor KTH, elshaari@kth.se

Andrea Cataldo, doktorand KTH, andreacl@kth.se