Observation of biased random-flux-induced topological phase transition in gyromagnetic photonic crystals

Stel je de wereld van de fysica voor als een enorme, drukke stad waar deeltjes de burgers zijn. Een lange tijd dachten wetenschappers dat als je genoeg chaos in deze stad zou gooien—zoals willekeurig bewegende gebouwen of het veranderen van de verkeersregels—de burgers gewoon de weg kwijtraakten en zouden stoppen met bewegen. Dit wordt "wanorde" genoemd, en het zorgt er meestal voor dat dingen rommelig en vastgelopen raken. Maar in de afgelopen decennia heeft een fascinerend nieuw idee genaamd "topologie" dit ondersteboven gekeerd. Denk aan topologie niet als de vorm van een gebouw, maar als de vorm van een pad. Een koffiemok en een donut zijn topologisch gezien hetzelfde omdat ze beide één gat hebben; je kunt de een in de ander vervormen zonder te scheuren. In de fysica betekent dit dat bepaalde paden voor deeltjes zo "geknoopt" zijn dat ze niet gemakkelijk kunnen worden verbroken, zelfs niet als de stad om hen heen een beetje rommelig is.

Normaal gesproken moeten wetenschappers zeer precieze, perfecte patronen creëren, zoals een perfect gechoreografeerde dans, om deze speciale, onbreekbare paden te maken. Ze moeten ook vaak een regel breken die "tijdreversie-symmetrie" wordt genoemd, wat zoiets is als ervoor zorgen dat de dans alleen vooruit gaat en nooit achteruit. De grote vraag die wetenschappers zich hebben gesteld, is: wat gebeurt er als de dansvloer zelf rommelig is? Kun je nog steeds deze speciale, onbreekbare paden krijgen als de regels van de dans willekeurig worden omgegooid? Hoewel we weten dat sommige soorten rommel juist deze speciale paden kunnen creëren, had nog nooit iemand gezien wat er gebeurt wanneer de rommel specifiek voortkomt uit het omdraaien van de richting van de "magnetische wind" die de deeltjes begeleidt. Het is also[een vraag als: kun je de richting van een rivier veranderen door alleen de wind die het water duwt willekeurig om te draaien, zonder nieuwe dammen te bouwen?

Dit is precies wat een team van onderzoekers nu heeft gedaan. Ze hebben een speciale "stad" gebouwd van kleine metalen staven en magneten, een gyromagnetische fotonische kristal genoemd, om te zien of ze de stroom van microgolflicht kunnen controleren door simpelweg de richting van de magneten willekeurig te mengen. Ze ontdekten dat ze het licht inderdaad konden dwingen om van gedrag te veranderen. Wanneer ze de magneten gelijkmatig mengden, verdwenen de speciale paden en kwam het licht vast te zitten in het midden. Maar wanneer ze de mix lichtjes naar één kant lieten doorslaan, verschenen de paden opnieuw, maar met een twist: het licht begon in de tegenovergestelde richting te stromen!

De onderzoekers begonnen met een theoretisch model bekend als het Haldane-model, wat een blauwdruk is voor een stad waar de "magnetische wind" (flux genoemd) deeltjes in een cirkel duwt. In een perfecte stad blaast alle wind dezelfde kant op, wat een eenrichtingsstraat creëert voor de deeltjes. Het team besloot een rommelige versie van deze stad te bouwen. Ze gebruikten twee soorten staven: één set gemagnetiseerd om de wind met de klok mee te duwen, en een andere set gemagnetiseerd om de wind tegen de klok in te duwen. Ze mengden deze staven samen in verschillende verhoudingen.

Wanneer ze voornamelijk met klok mee draaiende staven hadden, stroomde het licht in een cirkel in één richting. Wanneer ze voornamelijk met de klok mee tegengestelde staven hadden, stroomde het licht de andere kant op. Maar het meest opwindende deel gebeurde toen ze ze precies 50/50 mengden. Bij deze perfecte balans annuleerden de "wind" van de met de klok mee draaiende staven en de "wind" van de tegen de klok in draaiende staven elkaar. Het resultaat? De speciale eenrichtingsstraat verdween volledig. Het licht kon geen pad vinden en kwam vast te zitten in het midden van de stad, net als een auto zonder weg. Dit bewees dat de "wanorde" (de willekeurige mix) de speciale topologische toestand daadwerkelijk had vernietigd.

Echter, zodomdat ze slechts een heel klein beetje meer van het ene type staaf dan het andere toevoegden, keerde de magie terug. Het licht vond weer een pad, maar het stroomde nu in de tegenovergestelde richting vergeleken met de eerste situatie. De onderzoekers maten dit met microgolven en ontdekten dat bij een frequentie van 17,66 GHz het licht de rand van hun monster zou volgen en met de klok mee zou reizen als de mix 20% in de ene richting en 80% in de andere richting was. Maar als ze de mix omdraaiden naar 80% in de ene richting en 20% in de andere, volgde het licht de rand en reisde het tegen de klok in.

Ze controleerden ook wat er gebeurde in het midden, bij het 50/50-punt. Hun metingen toonden aan dat de "bulktransmissie"—hoe goed het licht door het midden van het monster kon bewegen—bijna naar nul daalde, wat betekende dat de kloof in de energieniveaus was gesloten. Dit bevestigde dat het systeem zijn speciale topologische bescherming had verloren. Het team gebrude een techniek van "nabijveldmetingen" om het licht punt voor punt te kunnen zien bewegen, en ze zagen de omkering vlak voor hun ogen gebeuren.

Dit experiment is een grote zaak omdat het laat zien dat je geen perfect geordend kristal nodig hebt om deze speciale toestanden te creëren. Je kunt de wanorde zelfs als een hulpmiddel gebruiken om tussen verschillende soorten topologische fasen te schakelen. Het is also[een ontdekking dat je de richting van een rivier kunt veranderen, niet door een dam te bouwen, maar door simpelweg de verhouding van de wind die vanuit het noorden versus het zuiden blaast aan te passen. De onderzoekers lieten zien dat ze door simpelweg de concentratie van hun magneten aan te passen, het systeem door een faseovergang konden drijven, waarbij de kloof sluit en weer opent met de tegenovergestelde "chiraliteit" (handigheid).

De studie suggereert dat deze "gebiaste willekeurige flux" een uniek mechanisme is voor het controleren van bosonische systemen (systemen bestaande uit deeltjes zoals licht). Hoewel het team het gedrag eerst op computers simuleerde, bevestigden ze dit met echte experimenten met een monster van 25 bij 20 staven. Ze ontdekten dat de transitie plaatsvond wanneer de concentratie van de "negatieve" flux-staven het kritieke punt van ongeveer 50% kruiste. Vóór dit punt gedroeg het systeem zich als een topologische isolator met één soort randtoestand; na dit punt gedroeg het zich als een topologische isolator met de tegenovergestelde randtoestand. In het midden, bij de exacte balans, werd het systeem een normale isolator zonder speciale randtoestanden.

Dit werk bewijst niet alleen een theorie; het opent een nieuwe deur voor hoe we toekomstige apparaten kunnen bouwen. In plaats van te proberen perfecte, foutloze materialen te maken, kunnen we systemen ontwerpen die wanorde in ons voordeel gebruiken. Als we de "bias" van de wanorde kunnen controleren, kunnen we de stroom van informatie of energie aan- of uitzetten, of zelfs omdraaien, door simpelweg de mix van ingrediënten aan te passen. De onderzoekers hebben een robuust platform geboden om te verkennen hoe wanorde en topologie met elkaar samenwerken, waarbij ze laten zien dat soms een beetje chaos precies is wat je nodig hebt om iets echt geordends en speciaals te creëren.