研究团队在开放系统中展示了强大的光传播

来自罗斯托克大学、卓越集群ct.qmat、维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学和印第安纳大学印第安纳波利斯分校的物理学家首次证明，光可以在与环境相互作用的系统中传播而不会造成任何损失。以前，人们认为这种开放系统不可避免地会表现出光的指数放大或阻尼，从而导致系统的不稳定性。 这些新结果最近发布在《自然材料》杂志上。

这些发现可能成为未来开发用于电波、光波和声波的新型鲁棒电路的基础。 无论是描述行星的轨道还是原子的内部运作，物理学的一个关键范式是能量守恒。虽然不同形式的能量可以相互转换，但通常假设能量总量随时间变化是恒定的。

因此，物理学家通常倾向于确保他们试图描述的系统不会与其环境相互作用。 然而，事实证明，如果能量的增益和损失以系统的方式分布，使它们在所有可能的条件下相互抵消，那么系统的动力学也可以是稳定的，这可以通过所谓的奇偶校验时间对称性来保证。

类似于向后播放并同时在镜子中反射但看起来与原始视频完全相同的视频，系统中的组件的排列方式是，通过同时镜像和时间反转交换光的增益和损失使系统看起来保持不变。 PT对称性远非一个纯粹的学术概念，它为更深入地理解开放系统铺平了道路。

与PT对称性相关的迷人物理现象是罗斯托克大学Alexander Szameit教授及其团队的专长。在他们的定制光子芯片中，激光可以模仿排列在周期性晶格结构中的天然和合成材料的行为，使其成为各种物理理论的理想测试平台。

通过这种方式，Szameit教授和他的团队成功地将PT对称性与拓扑学的概念结合起来。拓扑研究尽管底层系统不断变形，但不会改变的属性。这些特性使系统对外部影响特别强大。 在他们的实验中，Szameit的研究小组使用激光刻印的光子波导 - 通过激光束写入材料的光学结构。在这些“光电路”中，实现了所谓的拓扑绝缘体。

Szameit解释说：“近年来，这些绝缘体引起了很多关注，因为它们具有沿着其边界传输无损电子流或光流的迷人能力。抑制缺陷和散射影响的独特能力使它们在各种技术应用中特别有趣。 然而，直到现在，人们还认为这种强大的边界状态从根本上与开放系统不相容。

在他们的共同努力下，来自罗斯托克、维尔茨堡和印第安纳波利斯的研究人员能够证明，明显的悖论可以通过随时间动态分配收益和损失来解决。

第一作者、博士生亚历山大·弗里切解释说：“沿着我们开放系统的边界传播的光就像徒步旅行者穿越山区一样。尽管有起起落落，但它们最终将不可避免地回到起点的初始高度。

“同样，在我们的PT对称拓扑绝缘体的受保护边缘通道内传播的光永远不会被完全放大或阻尼，因此可以保持其平均振幅，同时享受拓扑结构提供的全部鲁棒性。”

这些发现对拓扑绝缘体和开放系统的基本理解做出了重要贡献，并可能为新一代先进的电波、光甚至声波电路打开大门。