研究团队展示了开放系统中强大的光传播

来自罗斯托克大学、卓越集群 ct.qmat、维尔茨堡朱利叶斯马克西米利安大学和印第安纳大学印第安纳波利斯分校 (IUPUI) 的物理学家首次证明，光可以在与其环境相互作用的系统中传播而不会造成任何损失。此前，人们认为这种开放系统不可避免地会表现出光的指数放大或阻尼，从而导致系统不稳定。

这些新成果最近发表在《自然材料》杂志上。这些发现可能成为未来开发新型稳健的电、光和声波电路的基础。

无论是描述行星的轨道还是原子的内部运作，物理学的一个关键范例是能量守恒。虽然不同形式的能量可以相互转换，但通常假设能量总量随着时间的推移保持恒定。因此，物理学家通常倾向于确保他们试图描述的系统不会与其环境相互作用。

然而，事实证明，如果能量的增益和损失以系统的方式分布，使得它们在所有可能的条件下相互抵消，那么系统的动态也可以是稳定的，这可以通过所谓的宇称来保证-时间(PT)对称性。

类似于向后播放的视频，同时在镜子中反射，但看起来与原始视频完全相同(即，PT 对称)，系统中的组件以这样的方式排列：增益和损失的交换光通过同时镜像和时间反转使系统看起来没有变化。

PT 对称性远非纯粹的学术概念，它为更深入地理解开放系统铺平了道路。

与 PT 对称性相关的迷人物理现象是罗斯托克大学 Alexander Szameit 教授及其团队的专长。在他们的定制光子芯片中，激光可以模仿以周期性晶格结构排列的天然和合成材料的行为，使它们成为各种物理理论的理想测试平台。

通过这种方式，Szameit 教授和他的团队成功地将 PT 对称性与拓扑概念结合起来。拓扑学研究尽管底层系统不断变形但不会改变的属性。这些特性使得系统对于外部影响特别稳健。

在他们的实验中，Szameit 的研究小组使用激光雕刻光子波导，即通过激光束写入材料的光学结构。在这些“光电路”中，实现了所谓的拓扑绝缘体。 Szameit 解释说：“这些绝缘体近年来引起了广泛关注，因为它们具有沿着其边界传输无损电子流或光流的迷人能力。抑制缺陷和散射影响的独特能力使它们对所有人都特别感兴趣。各种技术应用。”

然而，到目前为止，这种鲁棒的边界态被认为与开放系统根本不兼容。来自罗斯托克、维尔茨堡和印第安纳波利斯的研究人员共同努力，证明可以通过随时间动态分配收益和损失来解决明显的悖论。

第一作者，博士。学生亚历山大·弗里茨切(Alexander Fritzsche)解释说：“沿着我们开放系统边界传播的光就像穿越山区的徒步旅行者。尽管有所有的起伏，但它们最终将不可避免地回到起点的初始高度。

“同样，在我们的 PT 对称拓扑绝缘体的受保护边缘通道内传播的光永远不会被专门放大或阻尼，因此可以保留其平均幅度，同时享受拓扑提供的全部鲁棒性。”

这些发现对拓扑绝缘体和开放系统的基本理解做出了重要贡献，并可能为新一代先进的电、光甚至声波电路打开大门。