DTU研究人员研究的光子波导之一的扫描电子显微镜图像。波导形成在两个光子拓扑绝缘体（蓝色和红色）之间的边缘，这两个绝缘体在纳米级硅膜中实现。已经预测在这种拓扑波导中传播的光不受结构缺陷上的反向散射的影响，但这从未在实验中得到研究。DTU团队首次在实验中对此进行了检查，并发现了相反的结果：强烈的反向散射。来源：C. A. 罗西克

近年来，集成光子学领域已经起飞。这些微芯片在其电路中利用光粒子（光子），而不是在许多方面构成我们现代骨干的电子电路。集成光子学提供改进的性能、可靠性、能源效率和新颖的功能，具有巨大的潜力，正迅速成为数据中心和电信系统基础设施的一部分，同时也是各种传感器和集成量子技术的有力竞争者。

纳米级制造的重大改进使得构建具有最小缺陷的光子电路成为可能，但缺陷永远无法完全避免，并且由于无序引起的损失仍然是当今技术的限制因素。

例如，将这些损耗降至最低可以降低通信系统的能耗，并进一步提高传感器技术的灵敏度。由于光子量子技术依赖于在脆弱的量子态中编码信息，因此最小化损耗对于将量子光子学扩展到实际应用至关重要。因此，人们正在寻找新的方法来减少反向散射，甚至完全防止它。

光子的单行道今天是不可能的

在集成光子系统中最小化光子损失的一个建议是使用拓扑接口引导光通过电路，通过设计防止反向散射。

“如果能够减少这些系统的损失，那就太好了。但从根本上说，为光子创造这样一条单行道是一件艰难的事情。事实上，就目前而言，这是不可能的;要在光学领域做到这一点，需要开发目前不存在的新材料，“DTU Electro组长Søren Stobbe副教授说。

从理论上讲，由拓扑绝缘体构建的电路将迫使光子继续向前移动，而不是向后移动。反向通道根本不存在。虽然这种效应在利基电子产品中是众所周知的，并且已经用微波证明了，但它们尚未在光学领域得到证明。

但是在硅和所有其他低损耗光子材料中，完全拓扑保护是不可能的，因为它们受到时间反转对称性的影响。这意味着只要波导允许在一个方向上传输光，也可以向后传输路径。这意味着传统材料中的光子没有单行道，但研究人员假设双向街已经足以防止反向散射。

“在与集成光子学相关的平台中实现拓扑波导已经做了很多工作。最有趣的平台之一是硅光子学，它使用与构成当今无处不在的计算机芯片相同的材料和技术来构建光子系统，即使不能完全消除无序，也许反向散射也可以，“Søren Stobbe说。

DTU最近发表在Nature Photonics上的新实验结果强烈表明，以今天可用的材料，这可能不会发生。

最先进的波导不提供保护

尽管之前的几项研究发现，根据各种间接观察结果可以防止反向散射，但到目前为止，对拓扑波导中的损耗和反向散射的严格测量仍然缺失。在DTU进行的中心实验是在高度表征的最先进的硅波导上进行的，表明即使在可用的最佳波导中，拓扑波导也没有显示出对反向散射的保护。

“我们制造了用当前技术可以获得的最佳波导 - 报告有史以来最小的损耗并达到微小的结构无序水平 - 但我们从未看到针对反向散射的拓扑保护。如果双向拓扑绝缘体可以防止反向散射，它们只会在低于今天可能的无序水平下有效，“博士生Christian Anker Rosiek说。

他与博士后Guillermo Arregui一起在DTU Electro进行了大部分制造，实验和数据分析。

“单独测量损耗至关重要，但还不够，因为损耗也可能来自波导的辐射。我们可以从实验中看到，光子被捕获在波导中随机定位的小空腔中，就好像许多微小的镜子被随机放置在光的路径中一样。在这里，光来回反射，在这些缺陷上散射得非常强烈。它表明反向散射强度很高，即使在最先进的系统中也是如此，证明反向散射是限制因素，“Guillermo Arregui说。

波导材料应打破时间反转对称性

该研究得出的结论是，为了使波导提供反向散射保护，您需要由打破时间反转对称性而不吸收光的材料构成拓扑绝缘体。这种材料今天不存在。

“我们不排除防止反向散射可以起作用，并且不能将缺乏证据与缺席的证据混淆。拓扑物理学中有很多令人兴奋的研究有待探索，但展望未来，我认为研究人员在提出新的拓扑波导时应该非常小心地测量损耗。这样，我们将更清楚地了解这些结构的真正潜力。假设有人确实开发了新的、奇特的材料，只允许在一个方向上传播;我们的研究已经建立了所需的测试，以声称对反向散射的真正保护，“Christian Anker Rosiek说。

更多信息：Christian Anker Rosiek 等人，在谷霍尔光子拓扑界面模式下观察强反向散射，Nature Photonics （2023）。DOI： 10.1038/s41566-023-01189-x

期刊信息：Nature Photonics