[PWC-MEDIA] Licht gaat ongehinderd de hoek om

  • From: Communications AMOLF <Communications@xxxxxxxx>
  • To: pwc-media@xxxxxxxxxxxxx <pwc-media@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Fri, 6 Mar 2020 21:01:15 +0100

Onderzoekers van AMOLF en TU Delft hebben licht zien voortbewegen in een 
bijzonder materiaal, waarin het geen last heeft van weerkaatsingen. Het 
materiaal, een fotonisch kristal, bestaat uit twee delen met ieder een net iets 
verschillend patroon van gaatjes. Het licht kan zich alleen langs het grensvlak 
van die delen voortplanten. Dat doet het op een bijzondere manier: het is 
‘topologisch beschermd’, en kaatst daarom niet terug bij imperfecties en zelfs 
niet als het licht scherpe hoeken om gaat. “We hebben voor het eerst dit soort 
vreemde lichtgolven zien lopen op de relevante schaal van de nanofotonica,” 
aldus AMOLF-groepsleider Ewold Verhagen. Het onderzoek verschijnt op 6 maart in 
het wetenschappelijk tijdschrift Science Advances. 

 
Topologische isolatoren: bijzondere elektronica

Het onderzoek van Verhagen en zijn collega Kobus Kuipers van de TU Delft is 
geïnspireerd op een nieuw soort materialen in de elektronica, zogenoemde 
topologische isolatoren. Waar de meeste materialen in hun geheel geleidend zijn 
voor elektronen, of juist helemaal niet (dan zijn het isolatoren), vertonen 
topologische isolatoren heel bijzonder gedrag. “Het binnenste van een 
topologische isolator is niet geleidend, maar langs de rand kunnen elektronen 
vrijelijk stromen”, vertelt Verhagen. “Die geleiding is bovendien ‘topologisch 
beschermd’: de elektronen hebben geen last van wanorde of imperfecties waardoor 
ze normaal gesproken gereflecteerd zouden worden. De geleiding is dus heel 
robuust.”

 
Vertaling naar fotonica

Het afgelopen decennium hebben wetenschappers geprobeerd om hetzelfde gedrag 
ook voor lichtgeleiding te vinden. “Het liefst wilden we topologische 
lichtgeleiding realiseren op de nanoschaal, zodat het mogelijk wordt deze 
bijzondere isolatoren te implementeren op een optische chip”, aldus Verhagen.

De onderzoekers gebruikten daarvoor tweedimensionale fotonische kristallen met 
twee net iets verschillende gaatjespatronen. De ‘rand’ waarlangs lichtgeleiding 
mogelijk is, is het grensvlak tussen die twee patronen. “Dat komt doordat de 
wiskundige beschrijving van licht in een fotonisch kristal een bepaalde vorm 
heeft, die we topologie noemen”, zegt Kuipers. “De topologie van de 
gaatjespatronen is verschillend en juist dat geeft een geleiding van licht over 
het grensvlak, die overeenkomt met de geleiding van elektronen in topologische 
isolatoren. Omdat de topologie van de beide gaatjespatronen vastligt, kan de 
lichtgeleiding niet opgeheven worden, en is dus ‘topologisch beschermd’.” 

 
Topologie in beeld

De onderzoekers hebben de loop van het licht kunnen afbeelden met een 
microscoop en zagen dat het werkt zoals voorspeld. Ze zagen bovendien de 
topologie, ofwel de wiskundige beschrijving, terug in het geobserveerde licht. 
Kuipers: “Voor deze lichtgolven draait de polarisatie van het licht in een 
bepaalde richting, analoog aan de spin (draaiing) van elektronen in 
topologische isolatoren. De draairichting van het licht bepaalt de richting 
waarin het licht wordt geleid. Omdat polarisatie niet zomaar kan veranderen, 
gaat de lichtgolf zelfs scherpe hoeken om zonder dat het terugkaatst of 
verstrooid wordt, zoals in een normale golfgeleider wel zou gebeuren.”

 
Technologisch relevant

Het is voor het eerst dat de topologische bescherming van lichtgeleiding is 
gezien op de technologisch relevante schaal van nanofotonische chips. De 
onderzoekers gebruikten een silicium chip en licht met dezelfde golflengte als 
in telecommunicatie wordt gebruikt. Dat maakt het veelbelovend voor een 
toepassing, denkt Verhagen: “We gaan nu onderzoeken of er praktische of 
fundamentele grenzen zijn aan de topologische bescherming en welke functies op 
een optische chip we ermee zouden kunnen verbeteren. Daarbij denken we in 
eerste instantie aan het betrouwbaarder maken van geïntegreerde lichtbronnen op 
een fotonische chip, van belang voor energiezuinige dataverwerking waar in het 
kader van ‘groene ICT’ grote behoefte aan is in de toekomst. Maar ook voor het 
efficiënt rondsturen van pakketjes quantum-informatie kan topologisch beschermd 
licht van nut zijn.” 

 
---

Voor de redactie

 
Contactinformatie

Ewold Verhagen

telefoon: 020-7547115

e-mail: verhagen@xxxxxxxx

 
Referentie

N. Parappurath, F. Alpeggiani, L. Kuipers, and E. Verhagen, “Direct observation 
of topological edge states in silicon photonic crystals: Spin, dispersion, and 
chiral routing,” Science Advances 6, eaaw4137 (2020).

 
Bijschrift illustratie:

Elektronenmicroscopie-afbeelding van topologische fotonische kristallen in een 
geperforeerde plak silicium. Boven en onder zijn de kristalstructuren net 
verschillend; langs het grensvlak van de twee (stippellijn) kan licht geleid 
worden. De verschillende wiskundige beschrijving (‘topologie’) van de 
lichtvelden in de twee kristallen dicteert dat hun grensvlak licht moet 
geleiden: die geleiding is daarmee ‘topologisch beschermd’. 

 
 
 
 
Petra Vastenhouw Please note, my last name has changed from Rodriguez to 
Vastenhouw!

 | Communications | AMOLF & ARCNL| Postbus 41883 - 1009 DB Amsterdam | Science 
Park 104 - 1098 XG Amsterdam | t: +31 (0)20 754 7402| e-mail: 
p.vastenhouw@xxxxxxxx <mailto:p.vastenhouw@xxxxxxxx> | www.amolf.nl 
<http://www.amolf.nl/> | www.arcnl.nl <http://www.arcnl.nl/

 
 
 
 

Attachment: topologische isolator.jpg
Description: JPEG image

Other related posts:

  • » [PWC-MEDIA] Licht gaat ongehinderd de hoek om - Communications AMOLF