Rechtuit fotonen, almaar rechtuit!

Topologische isolatoren zijn materialen waarvan de structuur fotonen en elektronen dwingt om alleen langs de materiaalgrens en slechts in één richting te bewegen. Deze deeltjes ervaren heel weinig weerstand en reizen vrijelijk langs obstakels zoals onzuiverheden, fabricagefouten, een verandering van de baan van het signaal binnen een circuit of objecten die opzettelijk in het pad van de deeltjes zijn geplaatst. Dat komt omdat deze deeltjes, in plaats van te worden gereflecteerd door het obstakel, eromheen gaan "als rivierwater dat langs een rots stroomt", zegt Romain Fleury, hoofd van EPFL’s Laboratory of Wave Engineering, binnen de School of Engineering.

Tot nu toe was de uitzonderlijke veerkracht van deze deeltjes tegen obstakels alleen van toepassing op beperkte verstoringen in het materiaal, wat betekent dat deze eigenschap niet op grote schaal kon worden benut in op fotonica gebaseerde toepassingen. Dat zou echter snel kunnen veranderen dankzij het onderzoek dat Fleury samen met zijn promovendus Zhe Zhang en Pierre Delplace van het ENS Lyon Physics Laboratory uitvoert.

Hun studie, die in het tijdschrift Nature verschijnt, introduceert een topologische isolator waarin de transmissie van microgolffotonen ongekende niveaus van wanorde kan overleven.

"We waren in staat om een ​​zeldzame topologische fase te creëren die kan worden gekarakteriseerd als een abnormale topologische isolator. Deze fase komt voort uit de wiskundige eigenschappen van unitaire groepen en geeft het materiaal unieke – en onverwachte – transmissie-eigenschappen", zegt Zhang.

De ontdekking is veelbelovend voor nieuwe ontwikkelingen in wetenschap en technologie. "Als ingenieurs hyperfrequentiecircuits ontwerpen, moeten ze heel voorzichtig zijn om ervoor te zorgen dat golven niet worden gereflecteerd, maar eerder langs een bepaald pad en door een reeks componenten worden geleid. Dat is het eerste wat ik mijn studenten elektrotechniek leer", zegt Fleury. "Deze intrinsieke beperking, bekend als impedantie-aanpassing, beperkt ons vermogen om golfsignalen te manipuleren. Met onze ontdekking kunnen we echter een heel andere benadering kiezen, door topologie te gebruiken om circuits en apparaten te bouwen zonder ons zorgen te hoeven maken over impedantieaanpassing – een factor die momenteel de reikwijdte van moderne technologie beperkt."

Het lab van Fleury werkt nu aan concrete toepassingen voor hun nieuwe topologische isolator. "Dit soort topologische circuits kunnen zeer nuttig zijn voor het ontwikkelen van communicatiesystemen van de volgende generatie", zegt hij. "Dergelijke systemen vereisen circuits die zeer betrouwbaar en gemakkelijk herconfigureerbaar zijn." Zijn onderzoeksgroep bekijkt ook hoe de ontdekking kan worden gebruikt voor de ontwikkeling van nieuwe soorten fotonische processors en kwantumcomputers.