近年来，集成光子学领域蓬勃发展。这些微芯片在其电路中利用光粒子（光子），而不是在许多方面构成我们现代支柱的电子电路。集成光子学提供改进的性能、可靠性、能效和新颖的功能，具有巨大的潜力，正在迅速成为数据中心和电信系统基础设施的一部分，同时也是各种传感器和集成量子技术的有前途的竞争者。
纳米级制造的显着改进使得构建缺陷最少的 光子电路成为可能，但缺陷永远无法完全避免，并且由于无序造成的损失仍然是当今技术的限制因素。
例如，最大限度地减少这些损失可以减少通信系统的能耗并进一步提高传感器技术的灵敏度。由于光子量子技术依赖于在脆弱的量子态中编码信息，因此最小化损失对于将量子光子学扩展到实际应用至关重要。因此，人们正在寻找减少反向散射甚至完全防止反向散射的新方法。
今天不可能有光子的单行道
最小化集成光子系统中光子损失的一个建议是使用拓扑接口引导光通过电路，该拓扑接口通过设计防止反向散射。
“如果能够减少这些系统的损失，那就太好了。但从根本上说，为光子创造这样一条单向街道是一件困难的事情。事实上，就目前而言，这是不可能的；做这在光学领域需要开发当今不存在的新材料，”DTU Electro 小组组长 Søren Stobbe 副教授说。
从理论上讲，由拓扑绝缘体构成的电路会迫使光子继续向前移动，永远不会后退。后向通道根本不存在。虽然这种效应在小众电子产品中广为人知，并已在微波中得到证实，但它们尚未在光学领域得到证实。
但在硅和所有其他低损耗光子材料中，完全的拓扑保护是不可能的，因为它们具有时间反转对称性。这意味着只要波导允许在一个方向上传输光，反向路径也是可能的。这意味着传统材料中的光子没有单向通道，但研究人员假设双向通道已经足以防止反向散射。
“已经有很多工作试图在与集成光子学相关的平台中实现拓扑波导。最有趣的平台之一是硅光子学，它使用与当今无处不在的计算机芯片相同的材料和技术来构建光子系统，即使不能完全消除无序，也许反向散射可以，”Søren Stobbe 说。
DTU 最近发表在Nature Photonics上的新实验结果强烈表明，使用今天可用的材料，这可能不会发生。
最先进的波导不提供保护
尽管之前的几项研究发现，可以根据各种间接观察来防止反向散射，但迄今为止还没有对拓扑波导中的损耗和反向散射进行严格测量。在 DTU 进行的中心实验是在高度表征的最先进类型的硅波导上进行的，表明即使在可用的最佳波导中，拓扑波导也无法防止反向散射。
“我们制造了目前技术所能获得的最好的波导——报告了有史以来最小的损失并达到了结构无序的微小水平——但我们从未见过防止反向散射的拓扑保护。如果双向拓扑绝缘体防止反向散射，它们只会有效混乱水平低于今天可能的水平，”博士生 Christian Anker Rosiek 说。
他与 DTU Electro 的博士后 Guillermo Arregui 一起进行了大部分制造、实验和数据分析。
“仅测量损耗是至关重要的，但还不够，因为损耗也可能来自波导的辐射。我们从实验中可以看出，光子被波导中随机定位的小空腔捕获，就好像许多小镜子都有被随机放置在光的路径上。在这里，光来回反射，在这些缺陷上散射非常强烈。这表明反向散射强度很高，即使在最先进的系统中，证明反向散射是限制因素，”Guillermo Arregui 说。
波导材料应该打破时间反演对称性
该研究得出的结论是，对于波导提供防止反向散射的保护，您需要用不吸收光的情况下打破时间反转对称性的材料来构造拓扑绝缘体。这种材料今天不存在。
“我们不排除防止后向散射的保护可以起作用，并且不能将缺乏证据与缺乏证据相混淆。拓扑物理学中有许多令人兴奋的研究有待探索，但展望未来，我认为研究人员应该非常小心在展示新的拓扑波导时测量损耗。这样，我们将更清楚地了解这些结构的真正潜力。假设有人确实开发了只允许在一个方向上传播的新奇异材料；我们的研究已经建立了所需的测试要求真正防止反向散射，”Christian Anker Rosiek 说。
