최초의 3차원 광학 위상학적 절연체 개발 성공

베이징 인민일보 온라인, 1월 10일(리이환) 최근 절강대학교 정보전자공학부 천홍성 교수 연구팀이 세계 최초의 3차원 광학 장치 개발에 성공했다. 페르미온 시스템의 3차원 위상 절연체를 확장한 위상 절연체 보존 시스템을 사용하면 도파관에서 광자의 전송 효율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다. 이번 연구 결과는 오늘 네이처 저널에 공식 게재됐다.

이 연구는 절강대학교 Chen Hongsheng 교수의 연구 그룹과 싱가포르 난양 기술대학교의 Baile Zhang 교수와 Yidong Chong 박사의 연구 그룹이 공동으로 수행했습니다. 논문의 첫 번째 저자는 절강대학교 정보전자공학부 Chen Hongsheng이며, Baile Zhang 교수와 Zhen Gao 교수가 교신저자이며, 저장대학교가 첫 번째 완성 단위입니다.

이전에는 이 분야에서 3차원 광학 위상 절연체에 대한 연구가 아직 공백 상태였고, 광학 위상 절연체에 대한 실험적 연구는 2차원 공간에 국한되어 있었습니다. 2차원 공간에서 표면파가 전파되면 1차원의 단방향 위상학적 경계 상태만 존재한다고 보고되었습니다. 디랙 페르미온스. "3차원 광학 위상 절연체의 실험적 실현은 매우 중요하며 이 새로운 분야의 발전을 촉진할 것입니다."라고 Nature의 익명의 평론가는 연구를 평가할 때 말했습니다.

빛은 생활 속에서 흔히 나타나는 전자기파로, 공기 중에 전파될 수 있을 뿐만 아니라, 전자기파를 안내하는 도파관 장치에서도 전파되거나, 매체 두 겹의 경계면을 따라 전파되기도 합니다. 즉 표면파이다. 전자기파가 이러한 도파관 또는 미디어 인터페이스를 통해 전파될 때 결함, 불순물, 도파관 회전 등이 발생하면 필연적으로 산란되어 에너지 손실이 발생하여 도파관의 전송 효율이 크게 감소합니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구 과정에서 Yang Yihao 박사 등은 여러 개의 개방형 공진기로 구성된 전자기 단위 구조를 독창적으로 설계하고 제안했습니다. 이 전자기 단위 구조는 강한 전자기 특성을 가지고 있습니다. 광대역 3차원 광 토폴로지 절연체를 구현하고 궁극적으로 실험을 성공적으로 검증하는 열쇠입니다.

연구팀장에 따르면, 3차원 광학 위상절연체 완성에 앞서, 연구팀은 실험적 검증을 위해 광자의 특성을 기반으로 한 전자파 3차원 전계 스위프 플랫폼도 구축했다. 연구팀은 3차원 광학 위상학적 절연체 내부와 표면의 전자기장 분포를 영상화하고 전자파 모드의 분산 특성을 추출함으로써 실험에서 물질의 3차원 에너지 갭을 관찰하는데 성공했다. 2차원 Dirac 콘 형태의 표면 상태로 —— 이것이 3차원 광 위상 절연체의 주요 특징입니다.

또한 표면 광자는 위상적으로 보호되기 때문에 3차원 광학 위상 절연체를 사용하여 광자가 전송 중에 불순물, 결함 또는 모서리에 의해 영향을 받지 않도록 광자 '고속도로'를 구축할 수 있습니다. 즉, 모든 종류의 결함은 "보이지 않습니다". 위 이론을 검증하기 위해 연구팀은 3차원 곡면에 표면 상태를 영상화해 표면파가 경계면에서 전파할 때 장애물 없이 Z자형 모서리를 우회할 수 있음을 실험적으로 검증했다. 이 현상은 표면파의 경우 이러한 모서리가 "보이지 않는" 것과 같으며 모서리 주변을 효율적으로 전파하는 능력은 3차원 광학 위상 절연체의 위상적 보호 특성을 통해 이점을 얻을 수 있음을 보여줍니다.

이번 연구에서 구현된 3차원 광 위상 절연체는 3차원 위상 광학 집적회로, 위상 위상 도파관, 광학 지연선, 위상 레이저 및 기타 표면파 전자기 제어 장치에 적용될 수 있는 것으로 이해된다. . 3차원 위상 절연체는 페르미온계에서 보존계로 확장되었기 때문에, 본 연구는 다른 보존계(포논, 냉원자 등)에서도 3차원 위상 절연체의 실험적 구현에 영감을 줄 것으로 기대되며, 이는 매우 중요하다 3차원 토폴로지 상태 시스템의 의미를 확장합니다.

관계자에 따르면 이번 연구의 공동저자로는 저장대학교 박사과정 장리(Zhang Li)와 허멍자(He Mengjia), 싱가포르 난양기술대학교 란잔 싱(Ranjan Singh) 조교수, 박사과정 하오란 쉬에(Haoran Xue)와 허멍자(He Mengjia)가 있다. 양자오주(Zhaoju Yang)도 이 작업에 중요한 기여를 했습니다. 이 작업은 중국 국립자연과학재단의 뛰어난 청소년 기금 프로젝트, 국립 청소년 최고 인재 프로그램 및 기타 프로젝트의 자금 지원을 받았습니다.