研究人员利用拓扑物理学的扭曲特性，产生了一种高质量的激光束——这一步可能会导致这个新兴领域的首次实际应用。一个物理学家团队在2月1日发表于《科学》杂志的两项研究中，描述了他们的设备以及该技术背后的理论。
麻省理工学院（位于剑桥）的物理学家马林·索尔亚契奇说，这项演示“使拓扑光子学更接近实际应用”。
拓扑学是数学的一个分支，研究形状及其在空间中的可能排列——从简单的打结环到弦理论的更高维度宇宙。自20世纪80年代以来，物理学家发现了一些物质状态，这些物质状态从拓扑现象中获得奇特的特性，例如磁化强度（被描绘成箭头场）如何围绕材料缠绕。（该领域的一些创始人获得了2016年诺贝尔物理学奖。）
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过 订阅来支持我们屡获殊荣的新闻报道。通过购买订阅，您正在帮助确保关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
特别是，理论家已经预测——实验者已经证实——某些绝缘固体可以反直觉地导电，这要归功于拓扑特性。电流产生于材料表面的电子流动，它们有一个独特的优势：波浪图案（如打结的环）很难被破坏。这种被称为拓扑保护的特性使电子可以畅通无阻地流动。它可以防止电子流动改变方向或从缺陷处反弹，从而降低效率。
物理学家还在电磁波中观察到了拓扑保护。在固体中，当电子围绕原子排列移动时，拓扑效应就会出现。同样，可以使光子与具有规则间隙图案的材料相互作用。“当你使其周期性时，在自然界的几乎任何波系统中，都可能发生多种类型的拓扑现象，”索尔亚契奇说，他的团队在大约十年前发现了拓扑光子学的一些最早的实验证据。
一种引导光的新方法
在最新的研究中，以色列海法理工学院的莫德凯·塞格夫及其合作者利用拓扑光子学创建了激光束，其中光波是同相的。
该团队在半导体材料芯片的表面蚀刻了一系列圆形通道，并从上方将红外光照射到该结构上。这些圆形（每个直径几微米）仅捕获精确波长的光波，然后这些光波从一个环移动到下一个环。
在光子系统中，波的传播方向通常是可逆的。去年，由加州大学圣地亚哥分校的布巴卡尔·坎特领导的一项制造拓扑激光的努力，使用了磁场来限制传播。
但在塞格夫的系统中，一些环是不对称的，这使得光优先沿一个方向流动。当系统从红外光源接收到越来越多的能量时，循环光脉冲被增强或放大。最终，光波从一个出口通道中反弹出来——像聚焦的激光束一样同步脉动。
在佛罗里达州奥兰多的中佛罗里达大学的合作者进行的实验表明，与不使用拓扑学的类似激光器相比，这些激光器在能量上更有效率，并产生更高质量的光束——这意味着它们更接近理想的正弦波。由于拓扑保护，“该系统继承了对缺陷的鲁棒性”，塞格夫说。
马里兰大学帕克分校的光子学研究员穆罕默德·赫费齐说，塞格夫和坎特团队的设备都是“非常重要且令人兴奋的发展”。但他表示，还需要更多的测试来确认塞格夫的激光器是否比现有设备性能更好。
塞格夫说，大多数物理学家都对拓扑光子学能否与激光产生兼容持怀疑态度。尽管拓扑思想最初出现在固态物质理论中，并且被许多研究人员视为对电子学有希望，但实际应用很少。第一个上市的拓扑设备可能在光子学领域并非巧合。索尔亚契奇说，这些系统通常比固态系统更容易处理。研究人员可以创建具有几乎任何他们希望光线通过的特性的周期性图案结构，而材料中的原子不能以任意方式排列。
本文经许可转载，并于2018年2月1日首次发表。