Теперь физики Массачусетского технологического института обнаружили еще одно необычное явление, вызванное конусом Дирака: он может порождать явление, описываемое как «кольцо исключительных точек». Это объединяет две области исследований в физике и может найти применение в создании мощных лазеров, точных оптических датчиков и других устройств.Результаты опубликованы на этой неделе в журнале Nature постдоком Массачусетского технологического института Бо Чжэном, постдоком Йельского университета Чиа Вэй Сюй, профессорами физики Массачусетского технологического института Марином Солячи? и Джон Иоаннопулос и еще пять человек.
Эта работа представляет собой «первую экспериментальную демонстрацию кольца исключительных точек», — говорит Чжэнь, и первое исследование, которое связывает исследования в исключительных точках с физическими концепциями симметрии четности-времени и конусов Дирака.Отдельные исключительные точки — это своеобразное явление, уникальное для необычного класса физических систем, которое может приводить к противоречивым явлениям. Например, вокруг этих точек непрозрачные материалы могут казаться более прозрачными, а свет может проходить только в одном направлении. Однако практическая полезность этих свойств ограничена потерями на абсорбцию, вносимыми в материалы.
Команда Массачусетского технологического института использовала наноинженерный материал, называемый фотонным кристаллом, для создания исключительного кольца. Исследователи говорят, что это новое кольцо исключительных точек отличается от тех, которые изучались другими группами, что делает его потенциально более практичным.«Вместо потерь на поглощение мы применяем другой механизм потерь — радиационные потери, которые не влияют на производительность устройства», — говорит Чжэнь. «Фактически, радиационные потери полезны и необходимы в таких устройствах, как лазеры».
По словам сотрудников Массачусетского технологического института, это явление может позволить создавать новые виды оптических систем с новыми функциями.«Одно из важных возможных применений этой работы — создание более мощной лазерной системы, чем позволяют существующие технологии», — сказал Солячи? говорит. Для создания более мощного лазера требуется большая площадь генерации, но это приводит к появлению большего количества нежелательных «мод» для света, которые конкурируют за мощность, ограничивая конечный результат.
«Лазеры с поверхностным излучением на фотонных кристаллах являются очень многообещающим кандидатом для следующего поколения высококачественных и мощных компактных лазерных систем», — сказал Солячи? говорит: «и мы оцениваем, что можем улучшить предел выходной мощности таких лазеров как минимум в 10 раз».«Наша система также может использоваться для высокоточных детекторов биологических или химических материалов из-за ее чрезвычайной чувствительности», — говорит Сюй. Эта улучшенная чувствительность обусловлена еще одним экзотическим свойством исключительных точек: их реакция на возмущения не является линейной по отношению к силе возмущения.Обычно, говорит Сюй, очень трудно обнаружить вещество, когда его концентрация низкая.
Когда концентрация целевого вещества уменьшается в миллион раз, общий сигнал также уменьшается в миллион раз, что может сделать его слишком слабым для обнаружения.«Но в исключительный момент он больше не является линейным, — говорит Сюй, — и сигнал снижается только в 1000 раз, обеспечивая гораздо больший отклик, который теперь можно обнаружить».В исследовательскую группу также входили Юичи Игараси из NEC Corp. в Японии и исследователь Массачусетского технологического института Лин Лу, постдок Идо Каминер, аспирант Гарвардского университета Ади Пик и Сон-Лян Чуа из Национальной лаборатории DSO в Сингапуре.
Работа была частично поддержана Исследовательским офисом армии через Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института, Национальный научный фонд и Министерство энергетики.