Bir mesajı A noktasından B’ye aktarmak, bir kavşaktaki bir yabancıya bir başparmak yukarı yanıp sönmek, devam etmelerini işaret etmek kadar basit olabilir-sözlü, net ve evrensel olarak anlaşılmıştır. Ancak ışık tabanlı iletişim nadiren bu kadar açıktır.
Fotonlar, küçük ışık parçacıkları, kırılgan ve öngörülemez. Devrelerde korunması gereken elektronların aksine, fotonlar dağılabilir, bölünebilir, farklı renklerle birleşebilir veya emilebilir, yani bir sistemdeki foton sayısı sabit değildir, taşıdıkları enerji aynı kalsa bile. Bu, onları fiber optik veya fotonik cipsler – optik labirentler – yoluyla yönlendirmeyi, bakır tellerden direksiyon elektronlarından daha karmaşık hale getirir, çünkü ışık sinyalleri varış noktalarına ulaşmadan önce çıkmaz veya kaybolabilir.
Mühendisler genellikle her kusuru takıntılı bir şekilde iyileştirerek, labirentini mükemmelliğe parlatarak yanıt verirler. Ancak, bu yaklaşım yorucu olabilir ve bu sınırlamaları asla tam olarak ele almaz.
Penn’in Sanat ve Bilimler Okulu’nda bir fizikçi olan Bo Zhen, “Ya, kusurlarla savaşmak yerine, labirentin kurallarını değiştirebilirseniz – manzarayı anında ilan ederse, ışığın ilerlemeye devam etmekten başka seçeneği yoktur.”
Şimdi, yayınlanan bir çalışmada Doğa nanoteknolojisiZhen ve meslektaşları, bir ışının trafikte sıkışmadan veya yol boyunca kaybolmadan A’dan B’ye yapabileceğini garanti eden fotonlar için bir “gizli tünel” inşa ettiler.
Yaklaşımları, kusurların etrafına tek yönlü ışığı, hacimli mıknatıslara ihtiyaç duymayan optik izolatörler ve sadece ileri yönde ışığı yayan, yansımaları dengesizleştirmeye karşı bağışık olan lazerlerin yolunu açar. Bunlar gibi sağlam fotonik otoyollar telekomünikasyon, algılama ve kuantum teknolojilerini yeniden şekillendirebilir – yetersiz yanlış dönüşler, daha az sapma ve çok daha az bagaj.
Proje, 2018’de ilk yazar Li’nin doktora sonrası eğitime başlamak için Zhen’in laboratuvarına geldiği zaman başladı. Elektronik topolojik izolatörlerin keşfedilmesine yardımcı olduğu için en iyi bilinen Zhen ve Penn fizikçisi Eugene Mele, stabil bir topolojik durum oluşturmak için düzenli bir dizi ile delinmiş bir yarı iletken olan fotonik bir kristal üzerinde polarize ışık kullanmayı önerdi.
Amaç, ışığın içeride nasıl hareket ettiğini yeniden şekillendirmekti, ışığın sadece ileriye doğru hareket ettiği kenarlar boyunca tek yönlü bir yol oluşturuyor, diye açıklıyor. Bu “gizli tünel” veya kiral kenar devletleri, küçük çarpmalara veya kusurlara rağmen Light’ın tek yönlü karakterini korur.
2019 teorik teklifleri Doğa İletişimifotonların egzotik kuantum malzemelerindeki elektronlara çok benzeyebileceğini gösterdi.
“O zamanlar sadece denklemlerdi; matematik bize mümkün olduğunu söyledi ama gerçek yapmak, doğru malzemeyi tasarlamak ve doğru şekilde sürmek anlamına geliyordu” diyor. “Ve teori her zaman pratiğe katılmıyor.”
Deney, Zhen’in 2020’nin başında Avrupa’dan sipariş ettiği, tıpkı Covid-19 kapanışlarının sınırları ve kısıtlamalı tedarik zincirlerini kırdığı gibi, biri kristali ve diğerini araştırmak için iki ultra hızlı lazer talep etti.
“Bir süredir yanlış gidebilecek her şey gibi geldi,” diye gülüyor Zhen. “Süslü yeni lazerimiz 12 kutuda ortaya çıktı ve dağıtım kamyonu bize sadece altı getirdi. Sonra onu çalıştırabilecek kişi Litvanya’da sıkışmıştı. Burada yarım lazer ve talimat kılavuzu ile oturuyorduk.”
California Üniversitesi Santa Barbara’daki ortak çalışanların yardımıyla 2022 yılına kadar istikrarlı bir cihaza sahipler.
Çalışmaları doğrusal polarizasyon ile kristalin boşluksuz kaldığını, iç bantlarının kayıtsız yayalar gibi geçtiğini gösterdi. Dairesel polarizasyon ile, bantlar, açık bir topolojik imza ile işaretlenmiş tam bir boşluk açtı: açık tek yönlü bir kanalı gösteren farklı bir karakteristik olan bir tane (C = 1).
Lazer spektrumlarından – detailed enerji ayak izleri – ekip, bant yapısını yeniden inşa etti ve sistemi kristalin zaman içinde ritmik olarak sürülmesi ve enerji boşlukları içinde yeni korunan yollar oluşturacak şekilde ittiklerini doğruladı.
“Bu bir Eureka anıydı – ekranımızdaki parseller hayal ettiğimiz topolojik bant diyagramıyla eşleşti” diyor. “Aniden, bu sadece bir haritadaki bir rota değildi; yolda yürüyorduk.”
Doğrusal olmayan optik malzemede, bir renkteki iki foton farklı bir renkte tek bir fotonla birleşebilir veya tek bir foton birkaçına ayrılabilir. Zhen, “Bir mavi fotonda pompalayın, iki kırmızı fotonun çıktığını izleyin – elektroniklerin izin vermediği bağlantılar ve transferler.” “Bu özgürlük, fotonik sistemlerin elektronik ile aynı kısıtlamalara bağlı olmadığı ve ışık ellerinin bu yeni topolojik aşamasına cihaz tasarımı için yeni bir kural kitabına bağlı olmadığı anlamına geliyor.”
Zhen, ekibin zaten ilerlediğini, konsepti üç boyutlu kristallere ittiğini, bileşenlerin daha büyük ve daha kolay olduğu mikrodalga frekanslarına ölçeklendiğini ve etkinin kırılgan kuantum ışık durumlarını barındırıp koruyamayacağını keşfettiğini söylüyor.
“Bunun mümkün olduğunu gösterdik,” diyor Zhen. “Şimdi amaç, bu yaklaşımın kuantum bilgilerini koruyabileceğini veya yeni optik cihaz sınıfları oluşturup oluşturamayacağını görmek.”
