Topologischer Phasenschutz reibt sich an Sub

Einem internationalen Forscherteam gelingt ein Durchbruch in der Physik

Nationales Institut für wissenschaftliche Forschung – INRS

Bild: Schematische Darstellung zur Klassifizierung von Störungen in der symmetriegeschützten topologischen Phase (SPT-Phase). Der überlappende Bereich, der von roten, grauen und grünen Linien umgeben ist, stellt eine symmetriegeschützte topologische Phase mit topologischen Invarianten und entsprechenden topologischen Grenzzuständen dar. Die graue Linie stellt eine Reihe von Störungen dar, die sich auf die Randzustände auswirken, aber nicht die topologische Invariante des Gesamtsystems zerstören. Rote und grüne Linienbereiche zeigen Grenzzustände, die durch die jeweils zugehörige Subsymmetrie geschützt sind. Das illustrierte Beispiel zeigt zwei Sätze von Störungen, die die Subsymmetrie erfüllen, aber die topologische Invariante des Gesamtsystems zerstören. In diesem Fall schützt die Subsymmetrie Grenzzustände.mehr sehen

Bildnachweis: Domenico Bongiovanni und Co-Autoren

Einem internationalen Team unter der Leitung von Forschern der Nankai-Universität in China und der Universität Zagreb in Kroatien sowie einem Team des Institut national de la recherche scientifique (INRS) in Kanada unter der Leitung von Roberto Morandotti ist ein wichtiger Durchbruch in der Erforschung der Topologie gelungen Phasen. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in Nature Physics veröffentlicht – einer Zeitschrift der Nature Publishing Group.

Im letzten Jahrzehnt hat die topologische Photonik aufgrund der einzigartigen Aussichten, eine Lichtmanipulation mit hoher Leistung in Bezug auf Robustheit und Stabilität zu erreichen, zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Entdeckungen in der topologischen Photonik haben den Weg für die Entwicklung einer neuartigen Generation photonischer Geräte wie topologische Laser und Hohlräume geebnet, die über topologisch geschützte Zustände verfügen, die immun gegen Störungen und Defekte sind. Das Konzept der Topologie in der Physik stammt aus der Mathematik, wo die Topologie zur Untersuchung geometrischer Eigenschaften eines Objekts in Bezug auf Größen verwendet wird, die bei kontinuierlicher Verformung erhalten bleiben. Zwei Objekte sind topologisch identisch, wenn die Oberfläche des einen kontinuierlich in die des anderen verformt werden kann und umgekehrt, z. B. sind eine Kaffeetasse und ein Torus aus topologischer Sicht gleichwertig. In der Physik wird das Konzept der Topologie zur Beschreibung der Energiebandeigenschaften verwendet, was zur Vorhersage neuartiger topologischer Zustände von Materie und verschiedenen topologischen Materialien führt. Verschiedene topologische Phasen (trivial und nichttrivial) werden durch geeignete Einführung quantisierter topologischer Invarianten unterschieden, die es ermöglichen, eine Verbindung zwischen den Masseneigenschaften und der Entstehung des Merkmals an der Grenze dieser Materialien herzustellen, die als „Massen-Grenzen-Korrespondenz“ bekannt ist. In dieser Hinsicht ist das charakteristischste Merkmal einer nichttrivialen Topologie die Existenz robuster topologischer Grenzzustände, die durch spezifische räumliche und/oder intrinsische Symmetrien geschützt sind.

Im Allgemeinen wird in Systemen mit symmetriegeschützter topologischer Phase (SPT-Phase) davon ausgegangen, dass die enge Beziehung zwischen topologischen Grenzzuständen, topologischen Invarianten und einer oder mehreren Gesamtsymmetrien für die Aufrechterhaltung des topologischen Schutzes vor Störungen unerlässlich ist. Infolgedessen sind sowohl topologische Invarianten als auch topologische Grenzzustände unwiederbringlich von jeglicher Verzerrung betroffen, die die zugrunde liegende Symmetrie bricht. In dieser Arbeit hat das internationale Forschungsteam diesen traditionellen gemeinsamen Glauben in Frage gestellt und so das Verständnis der SPT-Grenzzustände erweitert. Sie fanden heraus, dass selbst wenn das System keine quantisierten topologischen Invarianten und einige Arten globaler Symmetrie mehr aufweist, die topologischen Grenzzustände immer noch in den entsprechenden Unterräumen existieren können, geschützt durch die sogenannten „Untersymmetrien“.

„Unsere Entdeckung stellt das allgemeine Denken der symmetriegeschützten topologischen Phase in der Topologie in Frage und erneuert die Entsprechung von topologischen Invarianten- und Grenzzuständen“, sagte Domenico Bongiovanni, einer der Hauptforscher und Postdoktorand am INRS-EMT. „Unsere Idee hat das Potenzial, den topologischen Ursprung vieler unkonventioneller Zustände zu erklären und kann auf verschiedenen Plattformen und physikalischen Systemen Anwendung finden.“

Durch die Einführung und Erforschung des Konzepts der Subsymmetrie stellten die Forscher fest, dass globale Symmetrie im herkömmlichen Sinne für den Schutz topologischer Grenzzustände nicht unbedingt erforderlich ist. In dieser Hinsicht bleiben topologische Randzustände erhalten, solange die Symmetrien bestimmter Unterräume erfüllt sind, selbst wenn die gesamten topologischen Invarianten nicht mehr existieren. Das Forschungsteam entwarf und fertigte mithilfe einer CW-Laser-Schreibtechnik geschickt photonische Gitterstrukturen, um den Bedingungen verschiedener Unterraumsymmetrien gerecht zu werden. Die Experimente zeigten einen Proof of Concept mit zwei typischsten topologischen Gittern: eindimensionalen SSH- und zweidimensionalen Kagome-Gittern. Darüber hinaus führte das Team auf innovative Weise das Konzept der Fernkopplungssymmetrie in das Kagome-Gittermodell ein, wodurch die aktuellen Kontroversen über die Existenz und den topologischen Schutz topologischer Zustände höherer Ordnung im Kagome-Gitter gelöst werden.

Diese Studie stellt nicht nur das traditionelle Verständnis topologischer Zustände, die durch Symmetrie geschützt sind, in Frage, sondern liefert auch neue Ideen für die Erforschung und Anwendung topologischer Zustände in verschiedenen physikalischen Hintergründen. Es wird erwartet, dass diese Arbeit die Entwicklung der topologischen Photonik und ihrer hochmodernen interdisziplinären Bereiche sowie die Forschung und Entwicklung einer neuen Generation topologischer photonischer Geräte auf der Grundlage subsymmetriegeschützter Grenzzustände weiter vorantreiben wird.

Über diese Studie

Der Artikel "Subsymmetriegeschützte topologische Zustände“ von Ziteng Wang, Xiangdong Wang, Zhichan Hu, Domenico Bongiovanni, Dario Jukić, Liqin Tang, Daohong Song, Roberto Morandotti, Zhigang Chen, Hrvoje Buljan wurde in der Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht. Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung vom National Key Research and Development Program und der National Natural Science Foundation of China, dem QuantiXLie Centre of Excellence, das von der kroatischen Regierung und der Europäischen Union kofinanziert wird, sowie dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC). ) und das Canada Research Chairs Program (CRC).

Naturphysik

10.1038/s41567-023-02011-9

Nachrichtenartikel

Unzutreffend

Subsymmetriegeschützte topologische Zustände

17.04.2023

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