人造材料在最小尺度上保护光状态

光不仅作为光学计算机芯片的信息载体，尤其是下一代量子计算机，都扮演着重要的角色。它在微小芯片尖角周围的无损引导以及对其与其他光相互作用的精确控制是全球研究的焦点。帕德博恩大学的科学家们现在已经证明了光波的空间限制到比拓扑光子晶体中的波长更小的点。这些是人造电磁材料，可促进对光的稳健操控。这种状态受到特殊属性的保护，例如对量子芯片很重要。该研究结果现已发表在《科学进展》上。

拓扑晶体基于特定结构发挥作用，其特性在很大程度上不受干扰和偏差的影响。虽然在普通光子晶体中，光操纵所需的效果是脆弱的，并且会受到材料结构缺陷的影响，例如，在拓扑光子晶体中，条件不受此影响。拓扑结构允许诸如单向光传播和增加引导光子的鲁棒性等特性，这些特性对未来的基于光的技术至关重要。

光子晶体在光子的光学带隙的帮助下影响电磁波的传播，该带隙阻止光在某些方向上的运动。散射通常会发生——一些光子被反射回来，而另一些则被反射掉。帕德博恩大学超快纳米光子学研究小组负责人Thomas Zentgraf教授解释说：“通过跨越更大范围的光子晶体的拓扑光状态，您可以防止这种情况发生。在普通的光波导和光纤中，背向反射是一个主要问题，因为它会导致不需要的反馈，传播过程中的损耗阻碍了光学芯片的大规模集成。”

Jinlong Lu在光学实验室进行测量

这个概念起源于固态物理学，已经导致了许多应用，包括稳健的光传输、拓扑延迟线、拓扑激光器和量子干涉。Zentgraf 补充道：“最近还证明，基于弱拓扑结构的拓扑光子晶体在周期性结构中具有晶体位错也表现出这些特殊性质，并且还支持所谓的拓扑保护强空间局域光态。当某物受到拓扑保护时，参数的任何变化都不会影响受保护的特性。局部光状态对于非线性放大、光子组件的小型化和光子量子芯片的集成非常有用。”在这种情况下，弱拓扑状态是光的特殊状态，不仅来自拓扑带结构，而且来自晶体结构的形成。

在一项联合实验中，帕德博恩大学和亚琛工业大学的研究人员使用一种特殊的近场光学显微镜来证明拓扑结构中存在这种强局域化的光态。Zentgraf小组的博士生，该论文的第一作者Jinlong Lu解释说：“我们表明，弱拓扑的多功能性可以在有意诱导的结构位错中产生强烈的空间局部光场。”Zentgraf 补充道：“我们的研究展示了一种可行的策略，可以实现光的拓扑保护、局部零维状态。”通过他们的工作，研究人员已经证明近场显微镜是表征具有纳米级分辨率的拓扑结构在光学频率下的宝贵工具。

这些发现为使用基于弱拓扑的强局域光学光态提供了基础。因此，具有可调折射率的相变材料也可用于实验中使用的纳米结构，以生产坚固且有源的拓扑光子元件。Zentgraf 说：“我们现在正在研究为晶体结构中的位错中心配备用于单光子生成的特殊量子发射器的概念，然后这些可以用于未来的光量子计算机，其中单光子生成发挥作用一个重要的角色。”

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