复杂制造的玻璃的几何形状使光阱本身

激光穿过装饰华丽的微细玻璃，已经被证明可以与自身相互作用，形成称为孤子的自我维持的波型。在玻璃中制造的复杂设计是一种光子拓扑绝缘体，这种设备可能会被用来使激光和医学成像等光子技术变得更有效率。2016年获得诺贝尔奖的拓扑材料有能力保护通过它们的波流不受不必要的无序和缺陷的影响。到目前为止，我们对拓扑保护的理解大多限于独立作用的光粒子，但在5月22日发表在“科学”杂志上的一篇新论文中，宾夕法尼亚州立大学的研究人员报告说，他们已经使用拓扑保护来调节光子之间的相互作用，直接观察到这些复杂设备的基本波型。

宾夕法尼亚州立大学(Penn State)唐斯布罗早期职业发展物理学教授、这篇论文的资深作者米凯尔·雷特斯曼(Mikael Rechtsman)表示，人们可能对电子学更熟悉，但在光子学和光子学的平行世界里，我们关心的是光的性质，而不是电子。光子学有无数的应用，包括电信、使用激光切割的制造，以及激光雷达，例如，用来帮助控制自动驾驶车辆。拓扑保护提供了使光子设备更节能、更轻、更紧凑的承诺。

拓扑保护的概念可以应用于电子、光子、原子和。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，这种保护需要非常接近绝对零度的极强的外部磁场，但对于光子，所有的实验都可以在室温下进行，因为光子不带电荷，没有磁场。

为了进行他们的实验，研究人员用激光照射一块玻璃，玻璃上刻有一系列极其精确的隧道，每个隧道的直径大约是人类头发的十分之一。这些被称为波导的隧道就像电线一样，集中了穿过它们的光流。这块玻璃中的波导排列成栅格，形成一个阵列，但每个波导通过玻璃的路径并不是直的-它可能更好地描述为蛇形，由研究人员设计的曲折和弯曲的几何形状导致了光的拓扑保护。

宾夕法尼亚州立大学博士后研究员、这篇论文的第一作者塞巴巴拉塔·慕克吉(Sebabrata Mukherjee)说，我们必须在实验室里建造制造设施，通过玻璃精确雕刻三维波导，这一过程被称为飞秒激光写入。写入三维波导的能力对于实现拓扑至关重要，通过观察设备边缘受保护的光的单向流动，实验证实了这一特性。

通过一种称为克尔效应的过程，玻璃的性质会因为强光的存在而改变。玻璃中的这种变化调节了通常不相互作用的许多光子之间的相互作用，这些光子通过阵列传播。随着功率的增加，光线塌陷成一束不扩散(即衍射)，而是螺旋状旋转的光束。孤子的螺旋旋转是研究人员设计的波导特定形状的标志，也是设备确实是拓扑的指示器。

雷特斯曼说，在正常情况下，光子是互相忽略的。你可以让两束激光束交叉，两者都不会因另一束而改变。在我们的系统中，我们能够让光子相互作用并形成孤子，因为光子的强度改变了玻璃的性质。通过环境的改变，光子变得相互感知。

孤子是许多相互作用受周围环境影响的系统中最基本的波形。

Rechtsman说，从理论上理解并在实验上探测像我们的阵列这样的拓扑系统中的孤子，将是将拓扑保护应用于光子设备实际应用的关键因素，特别是那些需要高光功率的设备。更多信息：Sebabrata Mukherjee等人。拓扑带隙中Floquet孤子的观测，“科学”(2020)。doi：10.1126/cience.aba8725