世界上第一个三维(3-D)光子拓扑绝缘体

2019-01-09 19:31:28     来源:雷网空间

拓扑绝缘体是物理学家在过去十年中一直在积极研究的异乎寻常的物质状态。它们最有趣的特征是它们可以使用称为“拓扑”的数学概念与所有其他材料严格区分。通过称为“拓扑表面状态”的特殊量子态,这种数学特性赋予拓扑绝缘体传输电信号而不会耗散的能力。


然而,拓扑绝缘体不仅需要用电子来实现。物理学家还设计了光子拓扑绝缘体,这种合成材料赋予光波不同的拓扑特征,允许光(而不是电流)通过拓扑表面状态流动。与电子拓扑绝缘体不同,光子拓扑绝缘体可以在室温下轻松操作,以及其他优点。因此,光子拓扑绝缘体可以应用于未来的光学器件,例如高功率激光器和光学二极管。

世界上第一个三维(3-D)光子拓扑绝缘体

来自南洋理工大学(NTU),新加坡和中国浙江大学的一组研究人员宣布开发出世界上第一个三维(3-D)光子拓扑绝缘体。在即将出版的“自然”杂志上发表的一篇论文中,该团队报告说,一个特别设计的三维谐振器阵列可以作为微波的拓扑绝缘体。他们观察到了标志性拓扑表面状态的明确证据,以微波的形式,沿着嵌入其样品的三维体积内的二维片材毫不费力地流动。


“以前的研究人员能够制造出二维光子拓扑绝缘体。但多年来,尽管有许多理论建议,但没有人能够实现三维版本,”南大的副教授张百乐说,他是共同监督的该项目。他指出,三维拓扑绝缘体具有重要的能力,包括沿着所有可能的空间方向引导拓扑表面状态的能力。在他们的一项实验中,研究人员表明微波可以有效地沿着含有锯齿状褶皱的二维表面进行引导。


该团队用一叠薄塑料板构建了三维光子拓扑绝缘体,这些薄塑料板嵌入了金属天线作为微小的电磁谐振器。当他们意识到如何定制谐振器以非常特定的方式与电磁波相互作用,使波浪具有所需的拓扑特征时,取得了重大突破。


“由于这些薄板采用成熟的印刷电路板技术制造,因此设计便宜且易于实施,”该项目的另一位联合主管浙江大学陈洪生教授解释道。“相比之下,之前在科学文献中发表的其他提案涉及使用非标准的陶瓷或磁性材料,如果你想制造一个真正的设备,这些材料很难配合使用。”


NTU的博士后研究员Yihaohao Yang博士是该论文的第一作者,他表示,该团队能够通过构建电磁波在光子拓扑绝缘体内传播的详细地图,建立一个引人注目的科学案例。“通过在样品中小心地插入电磁场探头,我们测量了整个样品中的场分布。这使我们能够重建作为拓扑绝缘体物理特征的'色散关系',”他说。


NTU团队的另一名成员,副教授Yidong Chong观察到,这项工作是第一个实现合成三维拓扑绝缘体,而不是基于电流的流动。“这是物理学普遍性的一个例子,”他说。“在一种情况下出现的现象,如量子材料,可以在另一种环境中再现,在这种情况下是电磁波的人工介质。关键因素是它们遵循相同的方程式和理论概念。”他认为,三维光子拓扑绝缘体可以为研究基础物理提供一个有趣的设置,因为拓扑表面状态由与无质量2-D电子服从爱因斯坦相对论的方程相同。


目前的3-D光子拓扑绝缘体仅限于电磁波,频率相对较低。“如果我们可以将其扩展到光学频率,也就是说可见光波,那么就可以应用于创建光学计算机芯片,激光器以及各种有趣的光学设备,”NTU的张教授说。


注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

我来说几句

* 获取验证码
最新评论

还没有人评论哦,抢沙发吧~

为您推荐

​五矿稀土:中国五矿拟与云南省人民政府深化合作
​五矿稀土:中国五矿拟与云南省人民政府深化合作
06月17日 13:55   ​五矿稀土  中国五矿
​华特时代碳纤维总经理熊飞:碳纤维不会代替钢或者铝合金
​华特时代碳纤维总经理熊飞:碳纤维不会代替钢或者铝合金
06月15日 16:42   ​华特时代碳纤  碳纤维
冷加工对核电结构材料应力腐蚀开裂的影响研究趋势与方向
冷加工对核电结构材料应力腐蚀开裂的影响研究趋势与方向
06月15日 15:01   核电站  冷加工  钢材料
​我国稀土产业发展优势与前景
​我国稀土产业发展优势与前景
06月14日 15:19   稀土
​美研究人员用聚合物包裹液态金属合金共晶镓铟,有望用于软体机器人
​美研究人员用聚合物包裹液态金属合金共晶镓铟,有望用于软体机器人
06月14日 14:57   聚合物  液态金属  共晶镓铟
​北京玻钢院复合材料有限公司安全管理体系建设与完善措施
​北京玻钢院复合材料有限公司安全管理体系建设与完善措施
06月14日 09:58   玻璃钢  复合材料  危险化学品
​助力油污染水处理,新型多孔整体材料可从水中吸收特定油
​助力油污染水处理,新型多孔整体材料可从水中吸收特定油
06月13日 15:36   水处理  多孔整体材料
忠旺集团刘忠田:身家180亿,两度加冕辽宁首富!
忠旺集团刘忠田:身家180亿,两度加冕辽宁首富!
06月13日 15:17   忠旺集团  刘忠田
30CrNiMo8轴技术要求与热处理工艺改进方案
30CrNiMo8轴技术要求与热处理工艺改进方案
06月11日 16:16   热处理工艺
余热正火工艺节能效果与产品技术要求
余热正火工艺节能效果与产品技术要求
06月11日 16:06   余热正火工艺
全球首个铁路智能信号灯系统