Kandidatpoolen för konstruerade material som kan bidra till att möjliggöra morgondagens banbrytande optiska tekniker – såsom lasrar, detektorer och bildgivande enheter – är mycket större än man tidigare trott.
Det visar ny forskning från University of Michigan som har undersökt en klass av material som kallas topologiska isolatorer. Dessa material har spännande och justerbara egenskaper när det gäller hur de överför energi och information.
”Vi ser detta som ett steg mot att bygga en mer mångsidig och kraftfull grund för framtida fotoniska tekniker”, säger Xin Xie, forskare vid U-M:s fysikavdelning och huvudförfattare till den senaste studien i tidskriften Physical Review X.
Även om dessa futuristiska material kan låta skrämmande, är deras grunder ganska enkla. Här har ordet isolator samma betydelse som i grundläggande elektronik: Det är ett material som blockerar flödet av något, till exempel trä eller gummi när det gäller elektricitet.
En topologisk isolator är en isolator med en twist. Den är till största delen en isolator, men har en speciell egenskap som gör att dess yttre yta, oavsett form, är ledande. Detta öppnar nya möjligheter för forskare att kontrollera flödet av elektricitet eller ljus och använda detta i nya tillämpningar.
UM-teamet var intresserat av en viss typ av topologisk isolator som begränsar ledningen till dess kant samtidigt som den tillåter en enda flödesriktning. Det finns jämförbara material som utvecklas inom elektroniken och forskare har varit intresserade av att utvidga den prestandan till ljus, säger Hui Deng, seniorförfattare till studien och professor i fysik vid UM.
”Det finns ett stort intresse för dessa system för transport av fotonisk information”, säger hon. ”De har enkelriktad transport och ljuset kan passera defekter utan att spridas.”
Med tanke på systemens strikta prestandakriterier är det naturligt att anta att listan över sätt att tillverka dem är ganska exklusiv. Faktum är att forskarna hittills har fokuserat på ett enda sätt att frigöra dessa egenskaper med hjälp av ett externt magnetfält.
Detta har till stor del att göra med en fysikalisk egenskap hos systemet som kallas bandgap. Detta kan ses som ett energihinder inuti systemet som måste övervinnas för att ljus eller elektroner ska kunna nå ett ledande tillstånd.
Den topologiska isolatorns bandgap ger upphov till dess unika ledande egenskaper. Storleken på bandgapet är också viktig. Större bandgap hjälper till att ”skydda” det speciella kantledningsläget, säger Deng.
I enlighet med designprinciperna från sina elektroniska motsvarigheter hade forskare som arbetade med dessa fotoniska topologiska isolatorer i stor utsträckning fokuserat på en enda typ av bandgap. Men U-M-teamet, som också inkluderade Kai Sun, professor i fysik, använde symmetrianalys och datorsimuleringar för att undersöka andra tillvägagångssätt.
Inom elektroniken styrs bandstrukturen av materialets atomers kristallstruktur. För optiska enheter skapar forskarna ”fotoniska kristaller” genom att tillverka matriser av gropar, pelare eller andra periodiska nanostrukturer som ger upphov till systemets optiska egenskaper, inklusive dess bandstruktur och bandgap.
Genom att koppla samman vissa fotoniska kristallkonstruktioner med atomärt plana 2D-material skapades de topologiska isolatorer som teamet var ute efter, enligt deras simuleringar. Men de simulerade systemen hade bandstrukturer som skilde sig från den enda typ som man tidigare hade fokuserat på.
Det innebär att designportföljen för denna klass av topologiska isolatorer – kallade polariton-Chern-isolatorer – är oväntat bred, säger forskarna. Till exempel tog teamet en typ av fotonisk kristall som redan används inom andra områden av optisk forskning som fallstudie.
”Det som förvånade mig mest var hur vanliga de erforderliga bandstrukturerna faktiskt är”, säger Xie. ”Även standardkonstruktioner av fotoniska kristaller – som länge använts i andra sammanhang – kan utan problem stödja polariton-Chern-isolatorer och ge anmärkningsvärda prestandaförbättringar.”
Nästa steg för teamet är att tillverka verkliga exemplar av de system de har simulerat, vilket inte är någon enkel uppgift, men sådana experiment är en styrka hos Dengs team. När en sådan topologisk isolator byggs i ett laboratorium uppskattar forskarna att dess bandgap kan vara upp till cirka 100 gånger större än det nuvarande rekordet.
Mer information: Xin Xie et al, Polariton Chern Bands in 2D Photonic Crystals beyond Dirac Cones, Physical Review X (2025). DOI: 10.1103/PhysRevX.15.021061
