環形諧振器實現固定角度光

聯合量子研究所（JQI）的研究人員已經研製出第一種能夠將光可靠地約束到四個角的硅晶元。這種效應是由干涉光路引起的，在製造過程中不會被小缺陷改變，最終能夠產生強大的量子光源。

這種魯棒性是由於拓撲物理，它描述了對幾何結構的微小變化不敏感的材料的特性。據《自然光子學Nature Photonics》在6月17日報道，光的轉彎是一種新拓撲效應的實現，這種特性最早在2017年被預測。

特別是，這項新工作是四極拓撲物理學的一個示範。四極是由四極下沉和力場源（如電荷或磁極）組成的一種排列。你可以通過想像在一個正方形的每個角上的電荷來想像一個電四極體，當你沿著周長走的時候，這個正方形的每個角上的電荷是正負交替的。

轉彎是由四極物理引起的，而不是偶極子的物理，也就是說，只有兩極的排列，這意味著它是一個高階拓撲效應。

該論文的高級作者JQI研究員Mohammad Hafezi說，儘管之前在聲學和微波系統中已經觀察到過這種轉彎效應，但這項新的工作是第一次在光學系統中觀察到這種現象。」Hafezi說：「我們一直在開發集成硅光子系統，以實現從物理系統中的拓撲結構衍生出的想法。事實上，我們使用與當前技術兼容的組件意味著，如果這些系統是健壯的，它們可能會被轉換成即時的應用程序。」

在這項新的工作中，激光被注入一個諧振器網格，諧振器在硅中的凹槽環將光限制在環上。通過將諧振器放置在仔細測量的距離上，可以調整相鄰諧振器之間的相互作用，並改變光通過網格的路徑。

累積效應是晶元中間的光線干擾自身，導致注入晶元的大部分光線在四個角處停留。

光沒有電荷，但給定諧振器中光的存在或不存在提供了一種極性行為。這樣，晶元上諧振器的模式正好對應於相互作用四極的集合，這正是第一次預測物質的高階拓撲狀態所需的條件。

為了測試他們製作的圖形，Hafezi和他的同事們將光注入晶元的每個角落，然後用顯微鏡捕捉到晶元的圖像。在收集到的光中，他們看到了四個明亮的峰，一個在晶元的每個角落。

為了證明角光被拓撲結構所捕獲，而不僅僅是注入激光器的位置，他們測試了底部兩排諧振器移位的晶元。這改變了它們與上面諧振器的相互作用，至少在理論上改變了亮點應該出現的位置。他們再次把光注入角落，這一次，正如理論預測的那樣，較低的兩個亮點出現在一排移位諧振器的上方，而不是物理角落。

儘管拓撲結構可以防止諧振器位置的微小變化，但這些晶元中仍然存在第二個破壞性更大的製造缺陷。由於每個諧振器的頻率不完全相同，因此角上的四個光點的頻率都略有不同。這意味著，就目前而言，如果晶元被用作光子源，那麼它可能不會比單個諧振器更好——許多人希望利用這些量子粒子作為未來設備和網路中量子信息的載體。

該論文的主要作者、JQI的博士後研究員Sunil Mittal說：「如果有許多源受到拓撲結構的影響而發出相同的光子，那麼你就可以干擾它們，這將改變遊戲規則。我希望這項工作實際上能激發理論家們思考，也許可以尋找對諧振器頻率中這種揮之不去的紊亂不敏感的模型。」

來源：https://phys.org/news/2019-06-resonators-corner.html

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