复杂制作的玻璃的几何形状本身就能捕捉光线

大学公园,爸爸。——激光穿过精美的微晶玻璃时，会与自身发生相互作用，形成一种称为孤子的自我维持的波型。这种在玻璃中制作的复杂设计是一种“光子拓扑绝缘体”，这种设备有可能被用来提高激光和医学成像等光子技术的效率。

拓扑材料获得了2016年的诺贝尔奖，它有能力“保护”穿过它们的波的流动，防止不必要的混乱和缺陷。直到现在,我们对拓扑保护的理解光一直主要限于粒子独立行动,但在一篇新论文,在《科学》杂志5月22日,宾夕法尼亚州立大学的研究人员报告说,他们利用玻璃调解光子之间的相互作用,直接观察这些复杂设备的基波模式。

“人们可能更熟悉电子学，但有一个‘光子学’的平行世界，我们关注的是光的属性，而不是电子，”宾夕法尼亚州立大学(Penn State)唐斯布罗大学(Downsbrough)物理学早期职业发展教授、该论文的资深作者迈克尔·雷彻茨曼(Mikael Rechtsman)说。“光子学有无数的应用，包括太阳能、电信光纤、激光切割制造和激光雷达，例如，激光雷达被用来帮助控制自动驾驶车辆。拓扑保护有望使光子器件更节能、更轻、更紧凑。”

拓扑保护的概念可以应用于电子、光子、原子和机械系统。例如，在电子学中，拓扑保护可以通过使电子可靠地流过材料而不散射来提高效率。对于电子来说，这种保护需要非常低的温度，接近绝对零度，通常还需要很强的外磁场，但是对于光子来说，所有的实验都可以在室温下进行，因为光子没有电荷，没有磁场。

为了完成他们的实验，研究人员将激光照射到一块玻璃上，玻璃上有一系列极其精确的隧道，每个隧道的直径约为人类头发直径的十分之一。这些被称为“波导”的隧道就像电线一样，将光集中在其中。片玻璃波导的被安排在一个网格,形成一个数组,但每个透过玻璃波导的路径不是直——这也许是更好的描述为蛇形,与曲折由研究者设计导致的几何拓扑保护的光。

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由宾夕法尼亚州立大学的研究人员在玻璃上制作的激光书面波导阵列(左)的显微镜图像，具有导致光的拓扑保护的几何形状。激光穿过华丽的微加工玻璃的原理图(右)显示了设备中四个波导的三维路径——已经被证明与自身相互作用，形成自我维持的波模式，称为孤子。

IMAGE: Rechtsman Laboratory, Penn State

“我们必须在我们的实验室里建造制造设备，通过玻璃精确地雕刻出三维波导，这个过程被称为飞秒激光书写，”宾夕法尼亚州立大学博士后研究员、论文的第一作者塞芭芭拉·穆克吉(Sebabrata Mukherjee)说。“书写三维波导的能力对于使器件拓扑化至关重要，这一特性通过观察器件边缘的‘受保护的’单向光流得到了实验证实。”

通过一个被称为“克尔效应”的过程，强烈的激光会改变玻璃的性质。玻璃上的这种变化会在许多光子之间产生一种相互作用，这些光子通常不会相互作用，而是在阵列中传播。当功率增加时，光就会坍缩成一束不扩散的光束。(绕射)，而是以螺旋的形式旋转。孤子的螺旋旋转是研究人员设计的波导特殊形状的标志，也表明该设备确实是拓扑的。

“在正常情况下，光子彼此是不相关的，”Rechtsman说。“你可以交叉两束激光，而另一束不会改变。在我们的系统中，我们能够让光子相互作用并形成孤子，因为激光的强度改变了玻璃的属性。光子通过环境的变化而‘意识’到彼此。”

在许多相互作用由周围环境介导的系统中，孤子被认为是最基本的波形。

Rechtsman说:“在理论上理解和实验上探测像我们的波导阵列这样的拓扑系统中的孤子，将是将拓扑保护应用于实际光子器件，特别是那些需要高光学功率的器件的关键因素。”

该研究由美国海军研究办公室资助，另外还有大卫和露西尔·帕卡德基金会以及查尔斯·e·考夫曼基金会的支持。