Utslettelse av eksepsjonelle punkter fra forskjellige degenerasjonspunkter observert for første gang

Et team av forskere fra University of Warszawa i Polen, Institute Pascal CNRS i Frankrike, Military University of Technology i Polen og British University of Southampton har vist at det er mulig å kontrollere de såkalte unntakspunktene. For første gang observerte fysikere også utslettelse av eksepsjonelle punkter fra forskjellige degenerasjonspunkter. Du kan lese om oppdagelsen som kan bidra til å skape moderne optiske enheter i det siste Naturkommunikasjon.

Universet rundt oss er laget av elementære partikler, hvorav de fleste har sine antipartikler. Når en partikkel og en antipartikkel, det vil si materie og antimaterie, møter hverandre, oppstår utslettelse. Fysikere har lenge vært i stand til å produsere kvasipartikler og kvasiantipartikler – elementære eksitasjoner: ladning, vibrasjon, energi – fanget i materie, oftest i krystaller eller væsker.

«Verden av kvasipartikler kan være svært komplisert, selv om paradoksalt nok bidrar kvasipartikler i seg selv til å forenkle beskrivelsen av kvantefenomener», forklarer Jacek Szczytko fra det fysikkfakultet ved Universitetet i Warszawa.

“Uten kvasipartikler ville det være vanskelig å forstå driften av transistorer, lysemitterende dioder, superledere og noen kvantedatamaskiner. Selv abstrakte matematiske konsepter kan bli kvasipartikler, så lenge de kan implementeres i fysiske systemer. Et av slike abstrakte konsepter er eksepsjonelle poeng.”

Teoretikere fra Institute Pascal CNRS i Frankrike, Guillaume Malpuech og Dmitry Solnyshkov forklarer.

“De såkalte “eksepsjonelle punktene” er spesifikke systemparametere som fører til fellesheten mellom to forskjellige løsninger som bare kan eksistere i systemer med tap, altså de der svingningene sakte forsvinner over tid, sier Malpuech.

“De tillater å lage effektive sensorer, enkeltmoduslasere eller ensrettet transport. Det som er viktig, hvert eksepsjonelt punkt har en topologisk ladning som ikke er null – en viss matematisk funksjon som beskriver de grunnleggende geometriske egenskapene og lar deg bestemme hvilke eksepsjonelle punktet vil være ‘antipartikkelen’ for et annet eksepsjonelt punkt,” legger Solnyshkov til.

Forskere fra University of Warszawa og Military University of Technology i samarbeid med forskere fra CNRS og University of Southampton analyserte den optiske resonatoren fylt med flytende krystall. Flytende krystaller er en spesiell fase av materie der visse retninger skilles til tross for flytende form.

Det kan undersøkes, for eksempel av en lysstråle, som oppfører seg forskjellig avhengig av innfallsretningen i forhold til de optiske aksene til den flytende krystallen. Denne funksjonen, kombinert med den enkle justeringen av et eksternt elektrisk felt, er grunnlaget for driften av vanlige flytende krystallskjermer (LCD). Polarisert lys – det vil si en spesifikk retning for vibrasjoner av det elektriske feltet til en elektromagnetisk bølge – “sanser” perfekt retningen til optiske akser, og disse er relatert til retningen til de langstrakte molekylene i den flytende krystallen.

“I den utførte forskningen ble det flytende krystalllaget plassert mellom to flate speil,” forklarer Wiktor Piecek fra Military University of Technology i Warszawa. “Hele strukturen skaper en optisk hulromsom bare lys med en bestemt bølgelengde kan passere.”

Denne betingelsen er oppfylt for de såkalte hulromsresonansmodusene – det vil si lys med en viss farge (energi), polarisering og forplantningsretning. Dette tilsvarer en situasjon der et foton som faller inn i hulrommet kan sprette flere ganger mellom de to speilene.

Tilstedeværelsen av en flytende krystall, hvis orientering kan endres ved å påføre en spenning, gjør det mulig å justere energien til hulromsmodusene. I tillegg endres resonanstilstanden når lyset faller inn i en vinkel, noe som spesielt kan føre til at ulike hulromsmoduser krysser hverandre, dvs. har samme energi til tross for ulik polarisering av lyset.

For den spesifikke orienteringen til den flytende krystallen som er vurdert i artikkelen, bør de to forskjellige hulromsmodusene bare krysse hverandre for de fire spesifikke innfallsvinklene for lys når man vurderer en ideell struktur uten tap. Faktisk kan lyset som er fanget i hulrommet slippe ut gjennom ufullkomne speil eller bli spredt.

Den gjennomsnittlige tiden fotonet forblir inne i mikrohulrommet kan bestemmes på grunnlag av spektroskopiske målinger. På grunn av orienteringen til det flytende krystalllaget ble det dessuten observert en forskjell i spredningen av lys polarisert langs og vinkelrett på aksen til flytende krystall. Som et resultat, på stedet for hvert degenerasjonspunkt for et idealisert tapsfritt hulrom, ble det observert et par såkalte eksepsjonelle punkter der både energien og levetiden til fotonet i hulrommet er den samme.

Mateusz Krol, som er den første forfatteren av publikasjonen, beskriver eksperimentet: “I det testede systemet ble det observert at posisjonen til eksepsjonelle punkter kan kontrolleres ved å endre spenningen som påføres hulrommet. Først av alt, som den elektriske forspenningen reduseres, de eksepsjonelle punktene skapt fra forskjellige degenerasjonspunkter kommer nærmere hverandre, og for en passende lav spenning overlapper de hverandre. Ettersom punktene som nærmer seg har en motsatt topologisk ladning, tilintetgjør de på tidspunktet for møtet, så de forsvinner, etterlater ingen eksepsjonelle poeng.”

“Denne typen topologisk singularitetsatferd, dvs. utslettelse av eksepsjonelle punkter fra forskjellige degenerasjonspunkter, har blitt observert for første gang. Tidligere arbeid viste utslettelse av eksepsjonelle punkter, men de dukket opp og forsvant på nøyaktig de samme degenerasjonspunktene,” legger til. Ismael Septembre, en Ph.D. student ved CNRS.

Eksepsjonelle punkter har blitt studert intensivt på mange forskjellige områder av fysikk de siste årene. “Oppdagelsen vår vil tillate opprettelsen av optiske enheter hvis topologiske egenskaper kan kontrolleres av spenning,” konkluderer Barbara Pietka fra Det fysikkfakultet ved Universitetet i Warszawa.

---

---