光不僅作為光學計算機芯片的信息載體，尤其是下一代量子計算機，都扮演著重要的角色。它在微小芯片尖角周圍的無損引導以及對其與其他光相互作用的精確控制是全球研究的焦點。帕德博恩大學的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)證明了光波的空間限制到比拓撲光子晶體中的波長更小的點。這些是人造電磁材料，可促進對光的穩(wěn)健操控。這種狀態(tài)受到特殊屬性的保護，例如對量子芯片很重要。該研究結(jié)果現(xiàn)已發(fā)表在《科學進展》上。

拓撲晶體基于特定結(jié)構發(fā)揮作用，其特性在很大程度上不受干擾和偏差的影響。雖然在普通光子晶體中，光操縱所需的效果是脆弱的，并且會受到材料結(jié)構缺陷的影響，例如，在拓撲光子晶體中，條件不受此影響。拓撲結(jié)構允許諸如單向光傳播和增加引導光子的魯棒性等特性，這些特性對未來的基于光的技術至關重要。

光子晶體在光子的光學帶隙的幫助下影響電磁波的傳播，該帶隙阻止光在某些方向上的運動。散射通常會發(fā)生——一些光子被反射回來，而另一些則被反射掉。帕德博恩大學超快納米光子學研究小組負責人Thomas Zentgraf教授解釋說：“通過跨越更大范圍的光子晶體的拓撲光狀態(tài)，您可以防止這種情況發(fā)生。在普通的光波導和光纖中，背向反射是一個主要問題，因為它會導致不需要的反饋，傳播過程中的損耗阻礙了光學芯片的大規(guī)模集成�！�

這個概念起源于固態(tài)物理學，已經(jīng)導致了許多應用，包括穩(wěn)健的光傳輸、拓撲延遲線、拓撲激光器和量子干涉。Zentgraf 補充道：“最近還證明，基于弱拓撲結(jié)構的拓撲光子晶體在周期性結(jié)構中具有晶體位錯也表現(xiàn)出這些特殊性質(zhì)，并且還支持所謂的拓撲保護強空間局域光態(tài)。當某物受到拓撲保護時，參數(shù)的任何變化都不會影響受保護的特性。局部光狀態(tài)對于非線性放大、光子組件的小型化和光子量子芯片的集成非常有用�！痹谶@種情況下，弱拓撲狀態(tài)是光的特殊狀態(tài)，不僅來自拓撲帶結(jié)構，而且來自晶體結(jié)構的形成。

Jinlong Lu在光學實驗室進行測量

在一項聯(lián)合實驗中，帕德博恩大學和亞琛工業(yè)大學的研究人員使用一種特殊的近場光學顯微鏡來證明拓撲結(jié)構中存在這種強局域化的光態(tài)。Zentgraf小組的博士生，該論文的第一作者Jinlong Lu解釋說：“我們表明，弱拓撲的多功能性可以在有意誘導的結(jié)構位錯中產(chǎn)生強烈的空間局部光場。”Zentgraf 補充道：“我們的研究展示了一種可行的策略，可以實現(xiàn)光的拓撲保護、局部零維狀態(tài)�！蓖ㄟ^他們的工作，研究人員已經(jīng)證明近場顯微鏡是表征具有納米級分辨率的拓撲結(jié)構在光學頻率下的寶貴工具。

這些發(fā)現(xiàn)為使用基于弱拓撲的強局域光學光態(tài)提供了基礎。因此，具有可調(diào)折射率的相變材料也可用于實驗中使用的納米結(jié)構，以生產(chǎn)堅固且有源的拓撲光子元件。Zentgraf 說：“我們現(xiàn)在正在研究為晶體結(jié)構中的位錯中心配備用于單光子生成的特殊量子發(fā)射器的概念，然后這些可以用于未來的光量子計算機，其中單光子生成發(fā)揮作用一個重要的角色�！�

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