un B, Motifs de particules a et réseaux photoniques correspondants b avec différentes corrélations structurelles. Le réseau cristallin possède à la fois un ordre à longue et à courte portée; les réseaux vitreux ont un fort ordre à courte distance; le réseau de type liquide donne un ordre faible à courte distance. c, Fonction de corrélation de paires g(r) pour les différents réseaux qui quantifie la corrélation structurelle. ré, Longueurs de localisation (courbes noires) et transmissions (courbes rouges) pour les réseaux photoniques. Les régions oranges indiquent les fenêtres de fréquence dans lesquelles les états de bord topologiques peuvent être observés. Crédit :Peiheng Zhou, Xin Ren, Yihao Yang, Haoran Xue, Lei Bi, Longjiang Deng, Yidong Chong, et Baile Zhang
La compréhension actuelle des isolants topologiques et de leurs analogues d'ondes classiques, comme les isolants topologiques photoniques, est principalement basé sur la théorie des bandes topologiques. Contrairement à cela, Des scientifiques en Chine et à Singapour ont montré expérimentalement des isolants topologiques photoniques basés sur des phases amorphes semblables à du verre, dont la structure de bande est mal définie. La persistance de la protection topologique s'avère également être étroitement liée à la transition verre-liquide. Cette interaction entre la topologie et l'amorphisme ouvre la voie à de nouvelles classes de matériaux à bande interdite photonique topologique non cristallin.
Le concept de topologie qui change de paradigme n'a pas seulement révolutionné la physique de la matière condensée, mais a également ouvert un chapitre fondamentalement nouveau en photonique, mécanique, acoustique, et bien d'autres domaines. En photonique, « isolants topologiques photoniques » (PTI), les analogues photoniques des isolants topologiques électroniques, ont permis des fonctionnalités photoniques passionnantes sans précédent telles que le transport photonique robuste unidirectionnel et les lasers topologiques.
Ces systèmes topologiques, qu'elles soient basées sur la matière condensée ou la photonique, dérivent généralement leurs propriétés topologiques de structures de bandes basées sur des réseaux périodiques. D'autre part, les phases amorphes photoniques sans réseaux atomiques périodiques existent largement dans la nature (par exemple, un verre, polymères et gels). Les propriétés de ces systèmes amorphes sont déterminées par la connectivité à courte distance de leurs atomes/molécules, plutôt que la périodicité à longue distance.
Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et applications , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Peiheng Zhou et le professeur Longjiang Deng de l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine, Le professeur Yidong Chong et le professeur Baile Zhang de l'Université technologique de Nanyang ont réalisé expérimentalement des PTI amorphes qui sont des variantes non cristallines d'un PTI basé sur le nombre de Chern. Leur étude démontre l'interaction intéressante entre la topologie et l'ordre à courte portée, surtout pendant la transition vitreuse. Les PTI basés sur le nombre de Chern sont le premier type de PTI jamais réalisé. Leurs travaux sont les premiers à étudier les PTI amorphes utilisant ce type de structure photonique. Ils constatent également que l'extinction des états de bord topologiques photoniques fait référence à la transition vitreuse. Ces informations peuvent être utiles pour réaliser des isolants topologiques amorphes dans d'autres contextes physiques tels que l'acoustique.
une, Schéma du montage expérimental. La plaque supérieure contient des trous cylindriques en treillis carré. Les antennes dipôles sonde et source (1 et 2) sont insérées dans le guide d'ondes à travers ces trous. Trois côtés du guide d'ondes sont enveloppés de parois métalliques agissant comme des limites de conducteur électrique parfait (PEC). L'autre côté est recouvert d'absorbeurs de micro-ondes. être, Mesuré |Ez| distribution du champ dans les réseaux photoniques. Les états de bord topologiques persistent du PTI cristallin au PTI amorphe (Glass-like 2). Crédit :Peiheng Zhou, Xin Ren, Yihao Yang, Haoran Xue, Lei Bi, Longjiang Deng, Yidong Chong, et Baile Zhang
Le PTI amorphe se compose de tiges gyromagnétiques qui sont disposées en réseaux amorphes générés par ordinateur et polarisées magnétiquement pour briser la symétrie d'inversion du temps. En effectuant des mesures de transmission de bord/en masse et de distribution de champ proche aux PTI dans un guide d'ondes à plaques parallèles en cuivre, l'existence d'états de bord topologiques robustes dans les PTI amorphes est vérifiée expérimentalement avant le début de la transition vitreuse. En déformant davantage le réseau amorphe en un réseau de type liquide, on observe la fermeture de l'écart de mobilité et la disparition des états de bord topologiques. Ces scientifiques résument les caractéristiques de leur système topologique :
"Nous avons conçu un système PTI amorphe avec trois avantages :(1) les réseaux amorphes sont réalisables dans des matériaux naturels car ils sont générés par les méthodes de dynamique moléculaire ; (2) la cartographie complète des phases cristalline à vitreuse amorphe à liquide donne des rendements l'ensemble de l'évaluation de la topologie, de l'émergence à l'extinction, et capture clairement le rôle de la transition verre-liquide; et (3) la plate-forme photonique peut être immigrée pour vérifier d'autres matériaux topologiques photoniques non périodiques."
« La protection topologique soutenue par l'ordre à courte portée dans nos PTI amorphes démontre une robustesse remarquable aux gros défauts, par exemple. 3 fois la longueur caractéristique des réseaux, et coudes à 90º, tous comparables à des homologues cristallins, " ont-ils ajouté.
"L'approche présentée peut être utilisée pour développer des PTI amorphes spécifiques avec les corrélations structurelles souhaitées, e. g. les structures hyperuniformes étudiées dans les cristaux photoniques à bande interdite, ou surveiller d'autres PTI non périodiques, par exemple. les quasi-cristaux ou métamatériaux. Nos résultats seront donc très utiles pour les futurs travaux sur les matériaux photoniques topologiques non cristallins pour de nouveaux dispositifs photoniques, tels que les lasers aléatoires topologiques, " proposent les scientifiques.
