科学家研制出首个光学拓扑绝缘体

据物理学家组织网近日报道，以色列和德国科学家携手合作，成功研制出首个光学拓扑绝缘体，这种新设备通过一种独特的“波导”网格，为光的传输护航，可减少传输过程中的散射。科学家们表示，最新研究对光学工业的发展大有裨益。研究发表在最新一期的《自然》杂志上。

随着计算机的运行速度不断加快以及芯片变得越来越紧密，人们对操纵光的设备变得越来越小的渴求与日俱增。但当这些设备变小时，制造过程中就会产生瑕疵，使光的移动变得毫无规律且无法预料。人们迫切需要新技术来阻止在光传输中各类瑕疵造成的散射。

以色列理工大学的莫迪凯·塞格弗教授领导的团队和德国耶拿大学的阿历克斯·萨扎米特教授的团队携手，解决了这个问题。在实验中，他们使用了一列螺旋状、采用“蜂窝”网格结构排列的“波导”（像电线引导电一样引导光），在实验室展示了一种全新的“光学拓扑绝缘体”。

在“蜂窝”网格结构中，每个波导的厚度仅为头发丝的十分之一，光在其中受到了拓扑保护——即使存在瑕疵，光也会不间断地流动。塞格弗表示：“拓扑保护意味着，光不会注意瑕疵的存在，会在瑕疵周围流动。”

拓扑保护这一理念最初并非为了光而生，而是为了在固体物质中流动的电子。然而，以色列理工大学的米克尔·瑞切特斯曼和约纳坦·帕劳特尼克通过使用一列相互作用的波导，并让波导变成螺旋状而非直线形，从而将拓扑保护引入光子学。瑞切特斯曼说：“波导的螺旋天性打破了对称，因此，在前进的方向上，波导会顺时针旋转，而在后退方向上，波导会逆时针旋转。在我们的实验中，为了防止光传输出现不需要的散射，这一点是必须的。”

瑞切特斯曼接着说：“光子拓扑绝缘体有望为我们探究和理解拓扑保护提供一个全新的平台。例如，很难或无法在固体物质内进行的所有实验现在使用光能够进行了。”帕劳特尼克补充道：“最新理念有望成为光子通讯工业和光的超导体领域的重要部分。这一发现也意味着科学家们朝着光子计算和量子计算又前进了一步。”

光学工业是现代计算和通讯的心脏，光学使大量数据可以通过光纤快速传输。建立在光的流动和对光进行控制基础上的技术是计算机芯片制造和太阳能电池的核心技术。