Ein neuer Weg, zwei verschiedene Aggregatzustände zu kombinieren

Topologisch unterschiedliche photonische Kristalle (orange und blau) mit einer darüberliegenden Schicht aus hexagonalem Bornitrid ermöglichen die Kopplung von topologischem Licht und Gitterschwingungen zu chiralen Halblicht-Halbschwingungsanregungen, die robust entlang 1D-Kanälen gerichtet werden können. Bildnachweis: Filipp Komissarenko und Sriram Guddala

Neue Forschungen eines Teams des City College of New York haben einen neuartigen Weg aufgedeckt, zwei verschiedene Aggregatzustände zu kombinieren. Zum ersten Mal wurden topologische Photonen – Licht – mit Gitterschwingungen, auch Phononen genannt, kombiniert, um ihre Ausbreitung robust und kontrollierbar zu manipulieren.

Die Studie nutzte topologische Photonik, eine aufstrebende Richtung in der Photonik, die grundlegende Ideen des mathematischen Gebiets der Topologie über Erhaltungsgrößen – topologische Invarianten – nutzt, die konstant bleiben, wenn Teile eines geometrischen Objekts unter kontinuierlichen Verformungen verändert werden. Eines der einfachsten Beispiele für solche Invarianten ist die Anzahl der Löcher, die zum Beispiel Donut und Becher aus topologischer Sicht gleichwertig macht. Die topologischen Eigenschaften verleihen Photonen Helizität, wenn sich Photonen bei ihrer Ausbreitung drehen, was zu einzigartigen und unerwarteten Eigenschaften führt, wie z. B. Robustheit gegenüber Defekten und unidirektionale Ausbreitung entlang Grenzflächen zwischen topologisch unterschiedlichen Materialien. Dank Wechselwirkungen mit Schwingungen in Kristallen können diese helikalen Photonen dann verwendet werden, um Infrarotlicht zusammen mit Schwingungen zu kanalisieren.

Die Implikationen dieser Arbeit sind weitreichend und ermöglichen es den Forschern insbesondere, die Raman-Spektroskopie voranzutreiben, die zur Bestimmung von Schwingungsmoden von Molekülen verwendet wird. Die Forschung verspricht auch die Schwingungsspektroskopie – auch Infrarotspektroskopie genannt – die die Wechselwirkung von Infrarotstrahlung mit Materie durch Absorption, Emission oder Reflexion misst. Dies kann dann verwendet werden, um chemische Substanzen zu untersuchen, zu identifizieren und zu charakterisieren.

„Wir haben helikale Photonen mit Gitterschwingungen in hexagonalem Bornitrid gekoppelt und so eine neue hybride Materie geschaffen, die als Phononen-Polaritonen bezeichnet wird“, sagte Alexander Khanikaev, Hauptautor und Physiker mit Zugehörigkeit zur Grove School of Engineering des CCNY. „Es ist halb Licht und halb Schwingungen. Da Infrarotlicht und Gitterschwingungen mit Wärme verbunden sind, haben wir neue Kanäle für die gemeinsame Ausbreitung von Licht und Wärme geschaffen. Typischerweise sind Gitterschwingungen sehr schwer zu kontrollieren und es war vorher unmöglich, sie um Defekte und scharfe Ecken herum zu führen.“

Die neue Methodik kann auch gerichtete Strahlungswärmeübertragung implementieren, eine Form der Energieübertragung, bei der Wärme durch elektromagnetische Wellen abgeführt wird.

„Wir können Kanäle beliebiger Form für diese Form hybrider Licht- und Materieanregungen erzeugen, die innerhalb eines von uns erstellten zweidimensionalen Materials geleitet werden“, fügte Dr. Sriram Guddala, Postdoktorand in der Gruppe von Prof. Khanikaev und Erstautor der Manuskript. „Diese Methode ermöglicht es uns auch, die Ausbreitungsrichtung von Vibrationen entlang dieser Kanäle vorwärts oder rückwärts zu ändern, indem einfach die Polarisationshändigkeit des einfallenden Laserstrahls geändert wird. Interessanterweise rotieren bei der Ausbreitung der Phononen-Polaritonen auch die Schwingungen mit dem elektrischen Feld. Dies ist eine völlig neue Art, Gitterschwingungen zu führen und zu drehen, was sie auch schraubenförmig macht.“

Referenz: „Topological phonon-polariton funneling in midinfrared metasurfaces“ von S. Guddala, F. Komissarenko, S. Kiriushechkina, A. Vakulenko, M. Li, VM Menon, A. Alù und AB Khanikaev, 8. Oktober 2021, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abj5488


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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